Forskare hittar okänd hjärnsignal som förändrar allt vi trodde vi visste

Den mänskliga hjärnan är ännu mer avancerad än vi trodde

Forskare har hittat en oväntad elektrisk signal i mänskliga hjärnceller — en signal som gör hjärnans beräkningskraft långt mer sofistikerad än man tidigare anat. Upptäckten gjordes i vävnad från patienter som genomgick hjärnkirurgi, och den pekar på ett helt nytt sätt som neuroner behandlar information på.

Konsekvenserna kan bli långtgående för vår förståelse av medvetande, minne, artificiell intelligens och framtidens hjärnteknik.

Hjärnans yttre lager gömmer en hemlighet

Den mänskliga hjärnan jämförs ofta med en kraftfull dator — men den fungerar fundamentalt annorlunda än de chips som sitter i en laptop eller smartphone. Redan 2020 beskrev tyska och grekiska forskare en dittills okänd elektrisk signal i hjärnbarkens yttersta lager. Nu är studien aktuell igen, eftersom andra forskargrupper försöker replikera och återskapa resultaten.

Kärnan i upptäckten är anmärkningsvärd: vissa mänskliga neuroner har uppenbarligen ett extra beräkningslager i sina förgreningar, de så kallade dendriterna. Dessa förgreningar fångar upp signaler från tusentals andra celler. Hittills trodde neuroforskare att det verkliga beräkningsarbetet skedde i cellkroppen, varefter en klassisk aktionspotential följde — en kort, allt-eller-intet elektrisk puls.

De nya mätningarna visar att dendriterna själva kan frambringa en finjusterad, graderad signal som beter sig som ett separat mini-beräkningselement inuti en enda neuron.

Med detta fynd rör sig bilden av hjärnan ännu längre bort från den enkla på/av-föreställningen som i åratal dominerade läroböckerna.

En oväntad blandning av joner i mänskliga neuroner

Forskarteamet arbetade med hjärnvävnad som neurokirurger avlägsnade under operationer på patienter med epilepsi. Av denna vävnad skar forskarna tunna skivor som de kunde stimulera och avläsa under mikroskopet — och därmed i realtid följa hur enskilda celler i hjärnbarken reagerade elektriskt.

Normalt är aktionspotentialer starkt beroende av natriumjoner som strömmar blixtsnabbt in i cellen och skapar den klassiska, branta spänningsspiken. Men i de undersökta cellerna från hjärnbarkens yttersta lager såg forskarna något helt annat ske:

• Cellerna använde visserligen natrium, men
• ovanpå det kom ett markant bidrag från kalciumjoner,
• vilket skapade en ny typ av spänningsvåg med ett långt mer graderat förlopp.

Denna kombinerade signal fick sitt eget namn: dendritiska, kalciummedierade aktionspotentialer — förkortat dCaAP:er. Där en vanlig aktionspotential fungerar som en binär kontakt, beter sig denna signal mer som en justerbar dimmer.

För att försäkra sig om att fenomenet inte var en egenhet kopplad till epilepsi, undersökte forskarna också vävnad från patienter med hjärntumörer. Signalen dök upp där också. Det gör det troligt att vi har att göra med ett generellt drag hos mänskliga kortikala neuroner — inte ett slumpmässigt fel i sjuk vävnad.

Varför dendriter spelar en så avgörande roll

Dendriter utgör ett fint förgrenat nätverk runt varje neuron. De tar emot tusentals impulser på en gång och bestämmer vilken information som till slut får nå fram till cellkroppen. Neuroforskaren Matthew Larkum har tidigare formulerat det träffsäkert: den som förstår dendritens funktion, förstår neuronens beräkningskraft.

Med dCaAP:erna blir det tydligt att dessa förgreningar inte bara filtrerar information — de utför aktivt logiska operationer, redan innan signalen når resten av cellen.

En extra logisk funktion i en enda neuron

I den klassiska förklaringen kan neuroner grovt sagt utföra två slags logik:

• OCH-logik: endast om signal x och signal y båda är aktiva, aktiveras cellen.
• ELLER-logik: om antingen x eller y är aktiv, skickas en signal vidare.

Med hjälp av datormodeller baserade på de uppmätta dCaAP:erna upptäckte forskarna att mänskliga neuroner också kan hantera en tredje typ av logik: den exklusiva ELLER-funktionen, bättre känd som XOR.

Inom datavetenskap betraktas XOR som en avgörande byggsten. Funktionen används bland annat för felkorrigering, kryptering och flerstegs-beslut. Länge antog vetenskapen att en sådan operation alltid krävde ett nätverk av flera neuroner. Nu visar det sig att en enda mänsklig neuron — tack vare sina dendriter och dCaAP:er — kan utföra denna uppgift ensam.

En enda cell i den mänskliga hjärnbarken kan fatta logiska beslut som vi fram till nyligen tillskrev hela neurala nätverk.

Det betyder att hjärnan utför långt fler beräkningar på mikronivå i de enskilda cellerna än de gängse modellerna antyder. Teoretiskt sett ger det extra beräkningskraft utan att hjärnan behöver växa sig större eller tyngre.

Vad upptäckten kan betyda för AI och chips

Den nya signaltypen ger designers av konstgjorda neurala nätverk stoff till eftertanke. De flesta AI-modeller använder idag starkt förenklade, digitala versioner av neuroner: en summa av input, ett tröskelvärde och sedan ett resultat. Dendritisk logik som dCaAP:er är i stort sett frånvarande i dessa system.

Om biologiska neuroner lokalt redan utför XOR-liknande operationer kan det förklara varför hjärnan med relativt lite energi klarar komplexa uppgifter som stora datacenter behöver långt mer ström till. Forskare ser därför med intresse på så kallade neuromorfa chips — hårdvara som arbetar med analoga spänningar och jonliknande strömmar, inspirerade av äkta neuroner.

• Neurovetenskap: bättre modeller för minne, uppmärksamhet och medvetande.
• Artificiell intelligens: neurala nätverk som kräver färre lager för samma uppgift.
• Medicinsk teknik: hjärnimplantat som kommunicerar mer precist med enskilda celler.
• Datavetenskap: energibesparande processorer som löser uppgifter mer ”hjärnliknande”.

Öppna frågor för framtida forskning

De nuvarande resultaten kommer från vävnad som undersökts utanför kroppen. Hur stor roll spelar dCaAP:er i en fullt fungerande hjärna, där blodgenomströmning, hormoner och konstant bakgrundsaktivitet är med i bilden? Det finns ännu mycket lite hård data på det området.

Det är heller inte klarlagt om denna form av dendritisk logik är unik för människor. Försöksdjur som möss och råttor används i stor utsträckning i hjärnforskning. Om deras neuroner inte har dessa signaler — eller har dem i svagare grad — kan det förklara varför vissa hjärnfunktioner är svåra att översätta från djur till människa.

Vad det berättar för oss om tänkande, inlärning och minne

En hjärna som redan på cellnivå kan utföra komplex logik öppnar upp för mer effektivt beslutsfattande. En neuron kan i princip kombinera olika informationskällor, väga dem och via dCaAP:er tillföra subtila nyanser till resultatet. Det kan exempelvis spela en roll i:

• igenkänning av mönster i bullriga omgivningar,
• filtrering av distraktioner under koncentrerat arbete,
• snabb avvägning av motstridiga signaler — ”fortsätt” mot ”stopp”.

I inlärningsprocesser kan en sådan graderad signal fungera som en slags intern feedback. En neuron kan via variationer i dCaAP:ernas styrka signalera hur viktig en viss kombination av impulser är. Det passar väl till teorier där minnen inte bara är lagrade i förbindelserna mellan celler, utan också i sättet enskilda dendriter reagerar på.

Centrala begrepp kortfattat förklarade

För dem som inte är förtrogna med fackuttrycken, här är en snabb genomgång:

• Neuron: en hjärncell som tar emot, bearbetar och vidarebefordrar information via elektriska och kemiska signaler.
• Dendrit: förgrenad utlöpare från en neuron som fångar upp signaler från andra celler.
• Aktionspotential: en kort elektrisk puls med vilken en neuron skickar information vidare till andra celler.
• Jon: en elektriskt laddad partikel, som natrium eller kalcium, som möjliggör ström genom cellmembranet.
• XOR-logik: en logisk funktion som endast ger resultatet ”sant” när exakt ett av de två input är aktivt.

För AI-utvecklare och neurotech-företag ligger här en konkret utgångspunkt: modeller och chips som tar hänsyn till dendritisk logik och blandade jonströmmar kan producera andra och mer mänskliga former av informationsbehandling. Tänk på röstassistenter som hanterar dubbeltydigheter med större finess, eller implanterbara sensorer som upptäcker ett anfall eller ett humörskifte tidigare, eftersom de lär sig avläsa signaler på dendritmikronivå.

För patienter med neurologiska sjukdomar — från epilepsi till depression — kan en djupare förståelse av den finmaskiga logiken i neuroner i slutändan bana väg för behandlingar som ingriper mer precist. Inte bara på nivå med hela hjärnregioner, utan helt ner till de minsta elektriska vågorna som bestämmer hur en tanke eller en känsla formas.