Gedurende de evolutie hebben individuele cellen zelf succesvolle beslissingen genomen, zelfs terwijl ze deel uitmaakten van enorme netwerken, zoals neuronen en glia in het menselijk brein. Nu hebben wetenschappers van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en het EPFL Blue Brain Project (École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland) een nieuwe theorie gepubliceerd die een geheime taal beschrijft die cellen kunnen gebruiken voor interne dialoog over de buitenwereld.

Met behulp van een computermodel veronderstellen ze dat metabole routes, die in de eerste plaats een middel zijn om energie en bouwsteenmoleculen te extraheren uit glucose en andere substraten om de hersenen te voeden, mogelijk ook in staat zijn om details te coderen over neuromodulatoren die een toename van het energieverbruik stimuleren. Neuromodulatoren zijn chemische boodschappers die de uitwisseling van informatie in de hersenen reguleren.

Als dat waar is, impliceert dit een bijna oneindig aantal mogelijkheden voor informatieverwerking in zenuwstelsels en celberekeningen. Zo'n mechanisme zou ook de opmerkelijke energie-efficiëntie van hersenen helpen verklaren.

Het doel van het Blue Brain Project is om simulatie-neurowetenschappen tot stand te brengen als een aanvullende benadering voor het begrijpen van de hersenen, naast experimentele, theoretische en klinische neurowetenschappen, door 's werelds eerste biologisch gedetailleerde digitale reconstructies en simulaties van het muizenbrein te bouwen.

In een recentelijk gepubliceerd onderzoek in het Journal of Theoretical Biology , hebben medewerkers van het KAUST-Blue Brain Project laten zien hoe twee van deze pijlers - theorie en simulatie - kunnen samenwerken met behulp van een model van het astrocytische energiemetabolisme. Astrocyten zijn sterachtige gliacellen in het centrale zenuwstelsel. Het model gaat over hoe ze samenwerken met neuronen om de hersenen van brandstof te voorzien en deel te nemen aan berekeningen.

De auteurs bevestigden de aannemelijkheid dat een energiemetabolische route in staat zou kunnen zijn om informatie te coderen en gedetailleerde kenmerken over stimuli door te geven, zoals intensiteit en duurkenmerken, naast de bekende functies in cellulaire energie en op koolstof gebaseerde molecuulbudgetten. Voorbeelden van stimuli zijn onder meer golven van neuromodulatoren die op het celoppervlak aankomen.

Gezien het aantal metabole routes dat tegelijkertijd actief is, zouden deze mechanismen de rekencapaciteit van neuronen aanzienlijk kunnen vergroten door ze een uitgebreide toolset te geven voor aanpassing en besluitvorming. Wetenschappers zijn al lang onder de indruk van de energie-efficiëntie van de hersenen in vergelijking met door mensen gemaakte computers. Het toewijzen van nieuwe computationele rollen aan afzonderlijke cellen die die informatie vervolgens doorgeven aan neuronale netwerken, zou deze observatie kunnen helpen verklaren.

Co-auteur Pierre Magistretti, Distinguished Professor of Bioscience bij KAUST en directeur van het KAUST Smart Health Initiative, zei dat "de simulaties van de teams van neuromodulator-gestimuleerd glucosemetabolisme in een astrocyt suggereren dat metabole routes in staat zouden kunnen zijn tot meer informatieverwerking dan wij eerder gerealiseerd. Ondanks alles wat al bekend is over hoe afzonderlijke cellen denken of reageren op hun omgeving, hebben ze waarschijnlijk nog onontdekte trucjes."

De stroom van materie door deze routes omvat het overdragen van metabolietproducten van de ene enzym-gekatalyseerde reactie naar de volgende over de hele keten van gebeurtenissen, van neuromodulatorreceptoractivering tot energiemetabolietproductie als een prikkelbare eenheid, of metabolische toestandsmachine.

Jay S. Coggan van Blue Brain, hoofdauteur van de studie, zegt dat hun "model laat zien hoe een metabolische route externe stimuli kan vertalen in productieprofielen van energiedragende moleculen zoals lactaat met een precisie die verder gaat dan eenvoudige signaaltransductie of amplificatie. paden, en mogelijk andere soorten gekoppelde enzymatische reacties, zouden goed gepositioneerd kunnen zijn om een ​​extra niveau van informatie over de omgevingseisen van een cel te coderen. Deze hypothese heeft implicaties voor de rekenkracht en energie-efficiëntie van de hersenen."