Hemmeligt sprog i celler? Nye celleberegninger afsløret

Gennem evolutionen har individuelle celler truffet vellykkede beslutninger på egen hånd, selv mens de danner dele af store netværk, såsom neuroner og glia i den menneskelige hjerne. Nu har forskere fra King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) og EPFL Blue Brain Project (École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz) udgivet en ny teori, der beskriver et hemmeligt sprog, som celler kan bruge til intern dialog om den ydre verden.

Ved hjælp af en beregningsmodel antager de, at metaboliske veje, som primært er et middel til at udvinde energi og byggestensmolekyler fra glukose og andre substrater til at fodre hjernen, også kan være i stand til at kode detaljer om neuromodulatorer, der stimulerer stigninger i energiforbruget. Neuromodulatorer er kemiske budbringere, der regulerer udvekslingen af ​​information i hjernen.

Hvis det er sandt, indebærer dette et næsten uendeligt antal muligheder for informationsbehandling i nervesystemer og komponentcelleberegninger. En sådan mekanisme ville også hjælpe med at forklare hjernens bemærkelsesværdige energieffektivitet.

Formålet med Blue Brain Project er at etablere simulationsneurovidenskab som en komplementær tilgang til forståelse af hjernen, sideløbende med eksperimentel, teoretisk og klinisk neurovidenskab, ved at bygge verdens første biologisk detaljerede digitale rekonstruktioner og simuleringer af musehjernen.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Journal of Theoretical Biology , KAUST-Blue Brain Project-samarbejdspartnere demonstrerede, hvordan to af disse søjler – teori og simulering – kan arbejde sammen ved hjælp af en model for astrocytisk energimetabolisme. Astrocytter er stjernelignende gliaceller i centralnervesystemet. Modellen fokuserer på, hvordan de samarbejder med neuroner for at give næring til hjernen og deltage i beregninger.

Forfatterne bekræftede sandsynligheden for, at en energimetabolisk vej kan være i stand til at kode information og transmittere detaljerede karakteristika om stimuli, såsom intensitets- og varighedsfunktioner, ud over dens kendte funktioner i cellulær energi og kulstofbaserede molekylebudgetter. Eksempler på stimuli omfatter bølger af neuromodulatorer, der ankommer til celleoverfladen.

I betragtning af hvor mange metaboliske veje der er aktive samtidigt, kunne disse mekanismer øge neuronernes beregningsevne betydeligt ved at give dem et udvidet værktøjssæt til tilpasning og beslutningstagning. Forskere har længe været imponeret over hjernens energieffektivitet sammenlignet med menneskeskabte computere. At tildele nye beregningsroller til enkelte celler, som derefter videregiver denne information til neuronale netværk, kunne hjælpe med at forklare denne observation.

Medforfatter Pierre Magistretti, Distinguished Professor of Bioscience ved KAUST og direktør for KAUST Smart Health Initiative, sagde, at "holdenes simuleringer af neuromodulator-stimuleret glukosemetabolisme i en astrocyt tyder på, at metaboliske veje kunne være i stand til mere informationsbehandling end vi tidligere indset. På trods af alt, hvad der allerede er kendt om, hvordan enkeltceller tænker eller reagerer på deres miljø, har de sandsynligvis stadig nogle uopdagede tricks."

Stofstrømmen gennem disse veje involverer overdragelse af metabolitprodukter fra den ene enzymkatalyserede reaktion til den næste på tværs af hele hændelseskæden, fra neuromodulatorreceptoraktivering til energimetabolitproduktion som en exciterbar enhed eller metabolisk tilstandsmaskine.

Blue Brain's Jay S. Coggan, hovedforfatter af undersøgelsen, siger, at deres "model viser, hvordan en metabolisk vej kan omsætte eksterne stimuli til produktionsprofiler af energibærende molekyler såsom laktat med en præcision ud over simpel signaltransduktion eller amplifikation. Sådanne metaboliske pathways, og muligvis andre former for koblede enzymatiske reaktioner, kan være velpositionerede til at kode et yderligere niveau af information om en celles miljøkrav. Denne hypotese har implikationer for hjernens beregningskraft og energieffektivitet."