Neuronien algebraa05.03.2022
Neuronit tekevät jatkuvasti monimutkaisia laskelmia käsitelläkseen aistitietoa ja päätelläkseen ympäristön tilaa. Esimerkiksi äänen paikallistamiseksi tai visuaalisen liikkeen suunnan tunnistamiseksi yksittäisten neurosolujen uskotaan tekevän kertolaskun kahdelle signaalille. Kuitenkin, kuinka tällainen laskenta suoritetaan, on ollut mysteeri vuosikymmeniä. Max Planck Institute for Biological Intelligence -instituutin tutkijat ovat nyt havainneet hedelmäkärpäsistä biofysikaalisen perustan, joka mahdollistaa tietyntyyppisen neurosolun kertovan kaksi saapuvaa signaalia. Tunnistamme helposti esineet ja niiden liikkumissuunnan. Aivot laskevat tämän informaation verkkokalvomme havaitsemien valonvoimakkuuden paikallisten muutosten perusteella. Laskelmat tapahtuvat yksittäisten neurosolujen tasolla. Mutta mitä se tarkoittaa, kun neuronit laskevat? Kommunikoivien neurosolujen verkostossa jokaisen solun on laskettava lähtevä signaalinsa useiden saapuvien signaalien perusteella. Tietyn tyyppiset signaalit lisäävät ja toiset vähentävät lähtevää signaalia – prosesseja, joita neurotieteilijät kutsuvat "kiihotukseksi" ja "estämiseksi". Teoreettisissa malleissa oletetaan, että liikkeen näkeminen vaatii kahden signaalin kertomista, mutta kuinka tällaiset aritmeettiset operaatiot suoritetaan yksittäisten neurosolujen tasolla, oli aiemmin tuntematon. Max Planck Institute for Biological Intelligence -instituutin Alexander Borstin osaston tutkijat ovat nyt ratkaisseet tämän pulman tietyntyyppisessä neuronissa. Tutkijat keskittyivät niin kutsuttuihin T4-soluihin hedelmäkärpäsen näköjärjestelmässä. Nämä neuronit reagoivat vain yhteen tiettyyn suuntaan näkyvään liikkeeseen. Tutkimuksen keskeiset kirjoittajat Jonatan Malis ja Lukas Groschner onnistuivat ensimmäistä kertaa mittaamaan sekä saapuvat että lähtevät T4-solujen signaalit. Yhdessä tietokonesimulaatioiden kanssa data paljasti, että T4-solun aktiivisuus on jatkuvasti estetty. Jos visuaalinen ärsyke kuitenkin liikkuu tiettyyn suuntaan, esto poistuu hetkeksi. Tämän lyhyen aikaikkunan sisällä saapuva virityssignaali vahvistuu: Matemaattisesti jatkuva esto vastaa jakoa; eston poistaminen johtaa kertolaskuun. "Olemme löytäneet yksinkertaisen perustan monimutkaiselle laskennalle yhdestä neuronista", Lukas Groschner selittää. "Jaon käänteinen operaatio on kertolasku. Neuronit näyttävät pystyvän hyödyntämään tätä suhdetta", Jonatan Malis lisää. "Tähän asti ymmärryksemme neuronien perusalgebrasta oli melko epätäydellinen", Alexander Borst sanoo. "Kuitenkin hedelmäkärpäsen verrattain yksinkertaiset aivot ovat antaneet meille mahdollisuuden saada käsitys tästä näennäisesti vaikeaselkoisesta palapelistä." Tutkijat olettavat, että samankaltaiset neuronaaliset laskelmat ovat taustalla esimerkiksi kyvyllemme lokalisoida ääniä, keskittää huomiomme tai orientoitua avaruudessa. Aiheesta aiemmin: Lyhyen ja pitkän matkan suunnistusta |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.