A Technion-Israel Institute of Technology tudósai megállapították, hogy a számítás nemcsak az idegsejtek közötti kölcsönhatásban, hanem az egyes neuronokon belül is történik.
Az agynak köszönhetően az emberi test már az anyaméhben való megjelenésétől kezdve és egész életében mozog, lehetővé téve számára, hogy kölcsönhatásba lépjen a környezetével. Mozgatjuk a kezünket, hogy megérintsük, megragadjuk a tárgyakat és gesztikuláljunk, és mozgatjuk az ajkunkat, hogy mosolyogjunk vagy beszéljünk. Mozgatjuk a szemünket, hogy lássunk, és a lábunkat, hogy járjunk, ugráljunk és táncoljunk.
A tudósok mindeddig nem tudták, hogy ez a csodálatos szerv a fejünkben hogyan emlékszik a mozgások e széles skálájára, és hogyan tanul meg újakat, vagy hogyan számítja ki, hogyan kell mozogni, hogy meg tudjunk fogni egy pohár vizet anélkül, hogy leejtenénk vagy elrontanánk.
A haifai Technion-Izraeli Technológiai Intézet Rappaport Orvosi Karának professzora, Jackie Schiller és csapata az agyat egyetlen idegsejt szintjén vizsgálta, hogy megmagyarázza ezt a rejtélyt. Megállapították, hogy a számítás nemcsak az idegsejtek közötti kölcsönhatásban, hanem az egyes neuronokon belül is történik.
Felfedezték, hogy minden egyes ilyen mikroszkopikus sejt nem egy egyszerű kapcsoló, hanem valójában egy bonyolult, apró biológiai számítógép. Felfedezésüket most publikálták a Science című tekintélyes folyóiratban „Dynamic compartmental computations in tuft dendrites of tuft 5 neurons during motor behaviour” címmel.
Ez a felfedezés nemcsak az agy működésének megértését növelheti, hanem további fényt deríthet a súlyos neurológiai betegségekre is, a Parkinson-kórtól az autizmusig.
Várhatóan a gépi tanulást is előmozdítja, amely azon az elképzelésen alapul, hogy a gépek képesek tanulni és alkalmazkodni a tapasztalat révén, és új „architektúrák” – a gépi tanulási ciklusban részt vevő különböző rétegek, amelyek a nyers adatokat döntések meghozatalához szükséges képzéssé alakítják – inspirálására szolgálnak.
A mozgást az agy elsődleges motoros kéregállománya irányítja, ahol a tudósok pontosan meg tudják határozni, hogy melyik neuron vagy neuronok adnak ki impulzust egy adott pillanatban, hogy indukálják a kívánt mozgást. Schiller csapata volt az első, amely még közelebb jutott, és nem az egész neuron, mint egyetlen egység aktivitását vizsgálta, hanem az alkotórészeinek az aktivitását.
Minden idegsejtnek vannak elágazó nyúlványai, úgynevezett dendritjei, amelyek szoros kapcsolatban állnak más idegsejtek végződésével (axonjaival), lehetővé téve a köztük lévő kommunikációt. A jel a dendritekről a sejttestbe jut, majd az axonon keresztül továbbadódik. A dendritek száma és szerkezete nagymértékben különbözik az idegsejtek között, ahogyan az egyik fa koronája is különbözik a másikétól.
Azok a bizonyos neuronok, amelyekre a Technion csapata összpontosított, az agykéreg legnagyobb, ún. piramis neuronjai voltak. Ezeknek a sejteknek, amelyekről ismert, hogy jelentős szerepet játszanak a mozgásban, nagy dendritfájuk van, sok elágazással, alágazással és al-alágazással.
A tudósok felfedezték, hogy ezek az ágak nem egyszerűen továbbítják az információt; minden egyes al-al-ág számításokat végez a kapott információval, és az eredményt továbbítja a nagyobb al-ágnak. Az alágazat ezután számításokat végez az összes alágazattól kapott információval, és azt továbbítja.
Ezenkívül több dendritikus mellékág is kölcsönhatásba léphet egymással, hogy az egyesített számítási teljesítményük intenzívebbé váljon, aminek eredményeként minden egyes neuronon belül komplex számítást végeznek. A Technion csapata most először mutatta ki, hogy a neuron rekeszes, és hogy az elágazásai egymástól függetlenül végzik a számításokat.
„Eddig úgy gondoltunk az egyes neuronokra, mint egyfajta sípra, amely vagy megszólal, vagy nem. Ehelyett egy zongorát látunk, amelynek billentyűit egyszerre vagy egymás után lehet leütni, végtelen számú különböző dallamot produkálva”
— magyarázza a felfedezést Jackie Schiller professzor, a haifai Technion-Izraeli Technológiai Intézet Rappaport Orvosi Karának munkatársa.
Ez az agyunkban játszódó összetett szimfónia teszi lehetővé, hogy végtelen számú különböző, összetett és precíz mozdulatot tanuljuk meg, és végezzünk el
– tette hozzá.
A neurodegeneratív és neurofejlődési rendellenességek számos fajtája valószínűleg összefügg a neuronok adatfeldolgozási képességének megváltozásával. A Parkinson-kórban például megfigyelték, hogy a dendritikus fa anatómiai és fiziológiai változásokon megy keresztül. A Technion csapatának új felfedezéseinek fényében egyértelmű, hogy e változások következtében csökken a neuron párhuzamos számítási képessége.
Autizmusban előfordulhat, hogy a dendritikus ágak gerjeszthetősége megváltozik, ami az állapottal kapcsolatos számos hatást eredményez. Az idegsejtek működésének új megértése új kutatási utakat nyit az ilyen és más betegségek jobb kezelése felé.
Eredményeik inspirációként szolgálhatnak a gépi tanulással foglalkozó közösség számára is.
A mély neurális hálózatok olyan szoftvereket próbálnak létrehozni, amelyek tanulnak és valamennyire úgy működnek, mint az emberi agy, de az élő agyhoz képest primitívek. Az agyunk tényleges működésének jobb megértése segíthet a bonyolultabb neurális hálózatok megtervezésében, lehetővé téve számukra, hogy összetettebb feladatokat hajtsanak végre.
A tanulmányt Schiller két doktorjelölt hallgatója, Yara Otor és Shay Achvat vezette, akik egyenlő arányban járultak hozzá a kutatáshoz. A csapatban részt vett még Nate Cermak posztdoktori ösztöndíjas (jelenleg idegmérnök) és Hadas Benisty doktorandusz hallgató, valamint három munkatárs – Technion prof. Omri Barak, Yitzhak Schiller és Alon Poleg-Polsky.
