Una nuova attività elettrica nei dendriti neuronali

Secondo uno studio recente che identifica attività elettrica precedentemente sconosciuta nei dendriti neurali, i singoli neuroni umani possono essere dispositivi computazionali molto più potenti di quanto si pensasse una volta.

Un singolo neurone sarebbe in grado di svolgere operazioni logiche complesse

Secondo uno studio recente che identifica attività elettrica precedentemente sconosciuta nei dendriti neurali, i singoli neuroni umani possono essere dispositivi computazionali molto più potenti di quanto si pensasse una volta. La ricerca è stata condotta da studiosi della Humboldt-Universität di Berlino, della Charité Universitätsmedizin di Berlino e della FORTH (Foundation for Research and Technology - Hellas).

I risultati di uno studio pubblicato recentemente su Science svelano un'attività elettrica inaspettatamente complessa nei dendriti dei neuroni piramidali umani. Questa caratteristica aumenterebbe in modo unico la potenza di elaborazione del cervello umano, permettendoci di capire e risolvere problemi complicati.
Neurologicamente parlando, la fisiologia che rende il cervello umano così particolarmente speciale e capace rimane poco compresa. Una possibilità può risiedere nello spessore degli strati corticali del cervello umano, in particolare gli strati 2 e 3, che contengono una quantità sproporzionata di materia cerebrale rispetto ad altre specie, nonché numerosi neuroni con grandi ed elaborati alberi dendritici.

"I dendriti sono fondamentali per la comprensione del cervello perché sono al centro di ciò che determina la potenza di calcolo dei singoli neuroni", ha detto il coautore dello studio Matthew Larkum, un neuroscienziato dell'Università Humboldt di Berlino.
Larkum e il suo team hanno smesso di studiare l’attività dendritica nei roditori e si sono cimentati nel complesso studio dei neuroni sull'uomo, che ha dendriti molto più lunghi. Hanno preparato fette di tessuto cerebrale da strati 2 e 3 della corteccia umana, che contengono neuroni particolarmente grandi con molti dendriti. Quando hanno stimolato quei dendriti con una corrente elettrica, hanno notato qualcosa di strano.
Hanno visto picchi inaspettati e ripetuti - e quei picchi sembravano completamente diversi da altri tipi conosciuti di segnalazione neurale. Erano particolarmente rapidi e brevi, come i potenziali d'azione, e nascevano da flussi di ioni calcio. Questo era degno di nota perché i potenziali d'azione convenzionali sono di solito causati da ioni sodio e potassio.
Ancora più strano è stata l’osservazione che un aumento di stimolo determinava una minore risposta. Il modello di studio ha permesso di scoprire che i dendriti umani avevano picchi in risposta a due input separati, ma non riuscivano a farlo quando questi input venivano combinati. Questa risposta equivaleva ad eseguire un calcolo non lineare noto come OR esclusivo (o XOR).
Questa scoperta ha immediatamente colpito la comunità informatica. Le funzioni XOR sono state per molti anni ritenute impossibili in singoli neuroni.

Tuttavia ci sono molti neuroni più piccoli e puntiformi in altre parti del cervello. Presumibilmente, quindi, questa complessità neurale esiste per un motivo specifico. Forse, dicono gli autori, un neurone che si comporta come una rete multistrato ha molta più potenza di elaborazione e può quindi imparare o memorizzare di più. Forse ci sono neuroni con una rete profonda al loro interno. Forse, sostiene sempre il team di ricerca, un singolo neurone può essere in grado di calcolare funzioni veramente complesse. Per esempio, potrebbe, da solo, essere in grado di riconoscere un oggetto. Avere neuroni individuali così potenti, potrebbe anche aiutare il cervello a conservare l'energia.

Il gruppo di Larkum ha in programma di cercare segnali simili nei dendriti dei roditori e di altri animali, per determinare se questa capacità di calcolo sia unica per gli esseri umani. Vogliono anche andare oltre la portata del loro modello per associare l'attività neurale che hanno osservato con il comportamento reale.
Anche se c'è ancora molto lavoro da fare, i ricercatori ritengono che questi risultati segnino la necessità di ripensare i modelli in cui siamo abituati ad inquadrare il cervello e le sue funzioni più ampie. Concentrarsi sulla connettività di diversi neuroni e regioni cerebrali non sarà più sufficiente.


Fonti: Gidon A, Zolnik TA, Fidzinski P, Bolduan F, Papoutsi A, Poirazi P, Holtkamp M, Vida I, Larkum ME. Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons. Science. 2020 Jan 3;367(6473):83-87. doi: 10.1126/science.aax6239.
Beckwith W. Dendrite Activity May Boost Brain Processing Power. American Association for the Advancement of Science. 2 January 2020
Cepelewicz J. Hidden Computational Power Found in the Arms of Neurons. Quanta Magazine. January 14, 2020

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