مطالعه‌ی جدیدی در UCLA می‌تواند نظر دانشمندان را راجع به این که مغز چگونه کار می‌کند تغییر دهد و به روش‌های جدیدی برای درمان ناهنجاری‌های عصبی منجر گردد. همچنین کامپیوترهایی می‌توان توسعه داد که بیشتر شبیه انسان‌ها “فکر می‌کنند”.
این تحقیق روی ساختار و عملکرد دندریت‌ها (اجزائی از سلول‌های عصبی در قسمت ابتدائیشان) متمرکز شده است. نورون‌ها ساختارهای بزرگ و شبیه به درختی هستند که از یک بدنه یا جسم سلولی و شاخه‌های متعددی به نام دندریت تشکیل یافته‌اند. اجسام سلولی برای ارتباط با همدیگر، جریان‌های مختصر الکتریکی تولید می‌کنند که به “نیزه” مشهور است. دانشمندان بر این باور بودند که این جریان‌های نیزه‌ای سوماتیک که دندریت‌ها را فعال می‌سازند، منفعلانه جریان‌هایی را به دیگر اجسام سلولی می‌فرستد. با این حال این فرضیه تاکنون مستقیماً آزمایش نشده بود. این پروسه پایه‌ای برای چگونگی شکل‌گیری و ذخیره‌سازی حافظه نیز می‌باشد. دانشمندان اعتقاد داشته‌اند که این نقش اولیه‌ی دندریت‌هاست.
اما تیم UCLA کشف کردند که دندریت‌ها صرفاً خط لوله‌های غیرفعالی نیستند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که دندریت‌ها از لحاظ الکتریکی در جانورانی که سریعاً جابه‌جا می‌شوند فعال اند و ۱۰ برابر بیشتر از جسم سلولی جریان تولید می‌کنند. این یافته باور همیشگی ما را که جریان‌های نیزه‌ای در اجسام سلولی راه اولیه هستند و شکل‌گیری تفسیر، یادگیری و حافظه از آن‌ها منشأ می‌گیرد، به چالش می‌کشد.
دندریت‌ها بیشتر از ۹۰% بافت عصبی را تشکیل می‌دهند. فهمیدن اینکه آن‌ها بسیار فعال‌تر از اجسام سلولی هستند، طبیعت دانسته‌های ما از این که چگونه اطلاعات در مغز محاسبه می‌گردد، تغییر خواهد داد. شاید این درک مسیر را برای درمان ناهنجاری‌های عصبی و تولید کامپیوترهای شبیه مغز انسان هموار سازد.
دانشمندان به طور کلی باور داشتند که دندریت‌ها بدون دخالت، جریان‌هایی را که دریافت کرده‌اند از سیناپس‌های سلولی (اتصال بین نورون‌ها) به جسم سلولی می‌فرستند که این به نوبه‌ی خود جریان الکتریکی تولید می‌نماید. تکانه‌های الکتریکی کوتاهِ مذکور که با نام ولتاژهای گذرا و کوتاه‌مدت نوک نیز جسم سلولی نیز شناخته می‌شوند، فکر می‌شد که در قلب محاسبات و یادگیری عصبی جای دارند ولی مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهد که دندریت‌ها ولتاژهای خودشان را ۱۰ برابر بیشتر و متناوب‌تر از اجسام سلولی تولید می‌کنند.
محققان همچنین دریافته‌اند که دندریت‌ها نوسانات بزرگی علاوه بر ولتاژهای نیزه‌ای تولید می‌کنند؛ نیزه‌ها دوتایی اند؛ یا صفر و یا یک. اجسام سلولی فقط نیزه‌های صفر و یک ایجاد می‌کنند و بیشتر شبیه کامپیوترهای دیجیتال اند. علاوه بر تولید امواج نیزه‌ای مشابه، دندریت‌ها همچنین ولتاژهای بزرگ و آهسته‌ای را می‌سازند که حتی بزرگ‌تر از نیزه‌ها هستند و این مورد را پیشنهاد می‌کند که می‌توانند محاسبات آنالوگ را نیز اجرا نمایند.
Mehta، استاد فیزیک، نجوم، نورولوژی و نوروبیولوژی UCLA:
ما دریافته‌ایم که دندریت‌ها هیبریدهایی هستند که هم محاسبات آنالوگ و هم دیجیتال انجام می‌دهند؛ بنابراین از لحاظ پایه‌ای جدای از کامپیوترهای دیجیتال ضعیف می‌باشند ولی تا حدی شبیه کامپیوترهای کوانتومی هستند که آن‌ها نیز آنالوگ می‌باشند. باوری پایه‌ای در علوم عصبی بوده مبنی بر این که نورون‌ها دستگاه‌هایی دیجیتال می‌باشند؛ یا پالسی را ایجاد نمی‌کنند و یا تا آخر کار پیش می‌روند ولی نتایج نشان می‌دهد که آن‌ها به مانند دستگاه‌های دیجیتال صرف نیستند؛ می‌توانند علاوه بر سیگنال‌های صفر و یک سیگنال‌های آنالوگ نیز تولید نمایند. این به معنای عزیمت بزرگیست از چیزی که بیش از ۶۰ سال است دانشمندان علوم عصبی به آن باور دارند.
چون دندریت‌ها تقریباً ۱۰۰ برابر از لحاظ حجم بزرگ‌تر از مراکز نورونی هستند، می‌توانیم انتظارمان از ظرفیت محاسباتی مغز را ۱۰۰ برابر چیزی که قبلاً فکر می‌کردیم، در نظر بگیریم.
مطالعات اخیر روی برش‌های مغزی نشان داده‌اند که دندریت‌ها توانایی تولید جریان‌های نیزه‌ای را دارند ولی روشن نیست که آیا در رفتارهای طبیعی نیز اینگونه است و اگر هست تناوب آن تا چه حدیست. اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی دندریت‌ها در طول رفتار طبیعی مدت‌ها بود که به یک چالش تبدیل شده بود؛ چون این زوائد بسیار ظریف اند. در مطالعات با موش‌های آزمایشگاهی، دانشمندان دریافتند که قرار دادن الکترود در دندریت‌های جانوران فعال موجب مرگ آن‌ها می‌شود. با این حال محققان UCLA به روشی دست یافتند که به جای قرار دادن الکترودها درون دندریت‌ها، آن‌ها را در نزدیکیشان جایگذاری می‌کنند.
با استفاده از روش مذکور، دانشمندان موفق به اندازه‌گیری فعالیت دندریت‌ها در موش‌هایی شدند که آزادانه به مدت ۴ روز در مارپیچ حرکت می‌کردند. گرفتن اندازه‌گیری‌ها از قشر پریتال خلفی، قسمتی از مغز که در طراحی حرکت نقش دارد، دانشمندان را به یافتن فعالیت بیشتر در دندریت‌ها راهنمایی کرد؛ نزدیک به ۵ برابر بیشتر زمانی که در خواب بودند و ۱۰ برابر هم هنگام کندوکاو.
بسیاری از مدل‌های قبلی می‌پنداشتند که یادگیری زمانی اتفاق می‌افتد که اجسام سلولی‌ِ دو نورون در یک زمان فعال اند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که شاید یادگیری وقتی رخ دهد که نورون دریافتی همزمان با فعال شدن دندریت، فعال باشد. همچنین قسمت‌های مختلفی از دندریت می‌تواند در زمان‌های متفاوتی فعال باشد. این نتایج انعطاف بیشتری را در این که ما چگونه با یک نورون واحد یاد می‌گیریم به بار می‌آورد.
مشاهده‌ی جسم سلولی برای درک این که چگونه مغز کار می‌کند، قالبی را برای بسیاری از سؤال‌های علمی و پزشکی فراهم کرد؛ از تشخیص و درمان بیماری‌ها گرفته تا ساختن کامپیوترها؛ ولی آن قالب مبنی بر این بود که جسم سلولی برای سلول تصمیم می‌گیرد و پروسه‌ای صرفاً دیجیتال در جریان است.
آنچه که کشف شده این است که تصمیمات بسیار دورتر از جسم سلولی و در دندریت‌ها اتخاذ می‌شود و آن همه محاسبات، دیجیتال نیست، بلکه آنالوگ هم می‌باشد. به خاطر دشواری‌های تکنولوژیکی، تحقیقات روی عملکرد مغزی روی اجسام سلولی محدود شده بود ولی زندگی اسرارآمیز نورون‌ها تا حدی کشف شده است؛ به ویژه در شاخه‌های گسترده‌ی آن‌ها. این یافته‌ها بار دیگر به ما یادآور می‌شوند که هر چقدر هم یک اصل علمی پذیرفته شده باشد، باز هم در آن جای تغییر و تجدیدنظر وجود دارد.
این تحقیق در ۹ مارس در ژورنال Science منتشر شده است.
