Από τη στιγμή που γεννιόμαστε, και ακόμη και πριν από αυτό, αλληλεπιδρούμε με τον κόσμο μέσω της κίνησης. Κινούμε τα χείλη μας για να χαμογελάσουμε ή να μιλήσουμε. Απλώνουμε το χέρι μας για να αγγίξουμε. Κινούμε τα μάτια μας για να δούμε. Κουνάμε, περπατάμε, χειρονομούμε, χορεύουμε. Πώς θυμάται ο εγκέφαλός μας αυτό το ευρύ φάσμα κινήσεων; Πώς μαθαίνει νέα; Πώς κάνει τους υπολογισμούς απαραίτητους για να πιάσουμε ένα ποτήρι νερό, χωρίς να το ρίξουμε, να το στριμώξουμε ή να το χάσουμε;
Εγκέφαλος και μεμονωμένοι νευρώνες
Η καθηγήτρια Technion Jackie Schiller από την Ιατρική Σχολή Ruth and Bruce Rappaport και η ομάδα της εξέτασαν τον εγκέφαλο σε επίπεδο μονού νευρώνα για να ρίξουν φως σε αυτό το μυστήριο. Βρήκαν ότι ο υπολογισμός δεν συμβαίνει μόνο στην αλληλεπίδραση μεταξύ των νευρώνων (νευρικά κύτταρα), αλλά μέσα σε κάθε μεμονωμένο νευρώνα. Κάθε ένα από αυτά τα κελιά, αποδεικνύεται, δεν είναι ένας απλός διακόπτης, αλλά μια περίπλοκη μηχανή υπολογισμού.
Αυτή η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Science, υπόσχεται αλλαγές όχι μόνο στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος, αλλά και στην καλύτερη κατανόηση των καταστάσεων που κυμαίνονται από τη νόσο του Πάρκινσον έως τον αυτισμό. Και αν αυτό δεν ήταν αρκετό, αυτά τα ίδια ευρήματα αναμένεται να προωθήσουν τη μηχανική μάθηση, προσφέροντας έμπνευση για νέες αρχιτεκτονικές. Η κίνηση ελέγχεται από τον πρωτεύοντα κινητικό φλοιό του εγκεφάλου. Σε αυτήν την περιοχή, οι ερευνητές είναι σε θέση να εντοπίσουν ακριβώς ποιος νευρώνας πυροδοτείται κάθε δεδομένη στιγμή για να παράγει την κίνηση που βλέπουμε.
Η ομάδα του καθηγητή Schiller ήταν η πρώτη που πλησίασε ακόμη περισσότερο, εξετάζοντας τη δραστηριότητα όχι ολόκληρου του νευρώνα ως ενιαίας μονάδας, αλλά των τμημάτων του. Κάθε νευρώνας έχει διακλαδισμένες προεκτάσεις που ονομάζονται δενδρίτες. Αυτοί οι δενδρίτες βρίσκονται σε στενή επαφή με τα άκρα (που ονομάζονται άξονες) άλλων νευρικών κυττάρων, επιτρέποντας την επικοινωνία μεταξύ τους. Ένα σήμα ταξιδεύει από τους δενδρίτες στο σώμα του κυττάρου και στη συνέχεια μεταφέρεται μέσω του άξονα. Ο αριθμός και η δομή των δενδριτών ποικίλλει πολύ μεταξύ των νευρικών κυττάρων, όπως το στέμμα ενός δέντρου διαφέρει από το στέμμα ενός άλλου.
Οι συγκεκριμένοι νευρώνες στους οποίους εστίασε η ομάδα του καθηγητή Schiller ήταν οι μεγαλύτεροι πυραμιδικοί νευρώνες του φλοιού. Αυτά τα κύτταρα, που είναι γνωστό ότι εμπλέκονται σε μεγάλο βαθμό στην κίνηση, έχουν ένα μεγάλο δενδριτικό δέντρο, με πολλά κλαδιά, υποκλάδια και υποκλάδια. Αυτό που ανακάλυψε η ομάδα είναι ότι αυτά τα υποκαταστήματα δεν μεταφέρουν απλώς πληροφορίες και μετά. Κάθε υποκλάδος εκτελεί έναν υπολογισμό σχετικά με τις πληροφορίες που λαμβάνει και μεταβιβάζει το αποτέλεσμα στον μεγαλύτερο υπο κλάδο. Το υποκατάστημα εκτελεί έναν υπολογισμό σχετικά με τις πληροφορίες που λαμβάνει από όλες τις θυγατρικές του και τις μεταβιβάζει.
Επιπλέον, πολλαπλοί δενδριτικοί κλάδοι μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους για να ενισχύσουν το συνδυασμένο υπολογιστικό τους προϊόν. Το αποτέλεσμα είναι ένας πολύπλοκος υπολογισμός που εκτελείται σε κάθε μεμονωμένο νευρώνα. Για πρώτη φορά, η ομάδα του καθηγητή Schiller έδειξε ότι ο νευρώνας είναι διαμερισματοποιημένος και ότι οι κλάδοι του εκτελούν υπολογισμούς ανεξάρτητα. “Συνήθιζα να σκεφτόμαστε κάθε νευρώνα σαν ένα είδος σφυρίχτρας, που είτε χτυπάει είτε όχι”, εξηγεί ο καθηγητής Schiller. “Αντίθετα, κοιτάμε ένα πιάνο. Τα πλήκτρα του μπορούν να χτυπηθούν ταυτόχρονα ή με τη σειρά, παράγοντας άπειρους διαφορετικούς ήχους”. Αυτή η περίπλοκη συμφωνία που παίζει στον εγκέφαλό μας είναι αυτό που μας δίνει τη δυνατότητα να μάθουμε και να εκτελέσουμε ένα άπειρο από διαφορετικές, πολύπλοκες και ακριβείς κινήσεις.
Πολλαπλές νευροεκφυλιστικές και νευροαναπτυξιακές διαταραχές είναι πιθανό να συνδέονται με αλλαγές στην ικανότητα του νευρώνα να επεξεργάζεται δεδομένα. Στη νόσο του Πάρκινσον, έχει παρατηρηθεί ότι το δενδριτικό δέντρο υφίσταται ανατομικές και φυσιολογικές αλλαγές. Υπό το φως των νέων ανακαλύψεων από την ομάδα Technion, κατανοούμε ότι ως αποτέλεσμα αυτών των αλλαγών, η ικανότητα του νευρώνα να εκτελεί παράλληλους υπολογισμούς μειώνεται. Στον αυτισμό, φαίνεται πιθανό η διεγερσιμότητα των δενδριτικών κλάδων να μεταβάλλεται, με αποτέλεσμα τα πολυάριθμα αποτελέσματα που σχετίζονται με την πάθηση.
Η νέα κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των νευρώνων ανοίγει νέα ερευνητικά μονοπάτια σχετικά με αυτές και άλλες διαταραχές, με την ελπίδα της ανακούφισής τους. Αυτά τα ίδια ευρήματα μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως έμπνευση για την κοινότητα μηχανικής μάθησης. Τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, προσπαθούν να δημιουργήσουν λογισμικό που μαθαίνει και λειτουργεί κάπως παρόμοια με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Αν και οι προόδους τους κάνουν συνεχώς ειδήσεις, αυτά τα δίκτυα είναι πρωτόγονα σε σύγκριση με έναν ζωντανό εγκέφαλο. Η καλύτερη κατανόηση του πώς λειτουργεί πραγματικά ο εγκέφαλός μας μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό πιο περίπλοκων νευρωνικών δικτύων, επιτρέποντάς τους να εκτελούν πιο σύνθετες εργασίες.