Forskere opdager hjernens “nye sprog” – det kan revolutionere AI

Et nyt signal i menneskelige neuroner: hvad forskerne har observeret

Neurobiologer har beskrevet en helt ny måde, hvorpå neuroner kommunikerer med hinanden – noget der minder om et ekstra "beregningssprog" i hjernen. Forskning udført på den menneskelige hjernebark tyder på, at en enkelt neuron kan udføre langt mere komplekse logiske operationer, end vi hidtil har troet. Det kan fundamentalt ændre vores forståelse af tænkning, bevidsthed og kunstig intelligens.

En gruppe forskere fra Tyskland og Grækenland analyserede prøver af hjernebarken, som blev udtaget under operationer på epilepsipatienter. Sådanne indgreb udføres rutinemæssigt, og det væv, der alligevel skulle fjernes, kan trygt undersøges i mikroskop og tilsluttes udstyr, der måler elektrisk aktivitet.

Under disse analyser dukkede noget uventet op. I stedet for de "klassiske" impulser, vi kender fra neurobiologiens lærebøger, opstod der i visse celler spændingsbølger med en anderledes karakter. Kilden viste sig at være neuronernes forgreninger – dendritter – og selve signalet havde træk, der lå et sted imellem de hidtil kendte aktivitetstyper.

Den nye type elektrisk impuls i dendritterne i menneskelige neuroner fungerer som en ekstra kodelinje, der udvider den enkelte nervecelles beregningsmæssige kapacitet.

Forskerne kaldte disse bølger dendritiske calciumafhængige aktionspotentialer (forkortet dCaAP). Det lyder teknisk, men kernen er enkel: neuronen har endnu en driftstilstand til rådighed, som aldrig tidligere er blevet beskrevet hos mennesker.

Ikke kun natrium: ionernes overraskende samspil i hjernen

De fleste lærebøger forklarer, at impulser i neuroner primært udløses af en indstrømning af natriumioner, mens deres udstrømning hjælper med at dæmpe signalet. Her viste situationen sig at være langt mere kompliceret – og det var netop det, der fangede forskerteamets opmærksomhed.

I dCaAP indgår en specifik blanding af to nøgleelementer: natrium og calcium. Denne kombination ændrer formen og varigheden af spændingsbølgen i dendritterne. For hjernen betyder det en ny måde at behandle information på, som er særligt vigtig i de ydre lag af hjernebarken, der er ansvarlige for de højere kognitive funktioner.

Forskerne sikrede sig også, at den observerede effekt ikke udelukkende skyldtes den underliggende sygdom, for eksempel tilstedeværelsen af en tumor. Signalet optrådte konsekvent i forskellige prøver og under forskellige betingelser, hvilket tyder på, at vi har at gøre med en universel mekanisme i den menneskelige hjernebark – og ikke en laboratorieanomali.

Dendritterne som små computere inde i cellen

Dendritterne fremstilles ofte som neuronens "antenner", der blot modtager signaler. I praksis er de langt mere end det: de er små, lokale computere, der foretager en foreløbig dataanalyse, inden information når frem til cellens "krop" og videre ud i netværket.

Dendritterne er ikke passive ledninger. De er aktive strukturer, som selv træffer en del af beslutningerne om, hvorvidt information er værd at sende videre.

Den nye impulstype passer præcist ind i dette billede. Det ser ud til, at det menneskelige neuron i sine dendritterne kan udføre operationer, som man tidligere tilskrev hele netværk af celler. Dette resultat har enorm betydning for de hjernemodeller, som den moderne videnskab benytter sig af.

Hjernens tredje "logik": OG, ELLER – og noget helt nyt

Indtil nu har man ofte beskrevet neuronernes aktivitet ved hjælp af simple logiske skemaer, som vi kender fra informatikken. Det forenklede billede så sådan ud: cellen "træffer en beslutning" om, hvorvidt den skal sende en impuls, afhængigt af hvor mange indgangssignaler den modtager.

Man taler typisk om to adfærdstyper, der sammenlignes med grundlæggende logiske porte:

• Adfærd svarende til "OG" – impulsen sendes, når to bestemte indgange aktiveres samtidigt
• Adfærd svarende til "ELLER" – impulsen sendes, når mindst ét af indgangssignalerne aktiveres

Modelleringen af dCaAP gav en overraskelse: en enkelt neuron kan opføre sig, som om den udfører en mere kompleks operation kaldet "eksklusivt eller" (XOR). Det er en konstruktion af stor betydning i digitale logiske kredsløb – den bruges blandt andet i aritmetiske kredsløb og kryptering af data.

Hvorfor er det så interessant? Tidligere mente man, at XOR krævede en hel kaskade af forbindelser mellem celler. Nu viser det sig, at en enkelt neuron kan udføre en sådan operation ved at udnytte en specifik ionblanding og aktivitet i dendritterne. Det betyder en langt mere "tæt" og fleksibel informationsbehandling i den menneskelige hjerne.

Hvad ændrer dette ved vores forståelse af tænkning?

Den nye signaltype tyder på, at en enkelt nervecelle har større beregningsmæssig kapacitet, end mange gængse modeller antager. I praksis kan det betyde, at en del af de operationer, vi tilskriver hele netværk – såsom genkendelse af komplekse mønstre eller sammenkædning af flere stimuli til ét samlet indtryk – faktisk finder sted et skridt tidligere, allerede i de enkelte neuroner.

Jo mere der foregår inde i én enkelt celle, desto mere forsimplede fremstår de hidtidige skematiske fremstillinger af hjernens funktion fra tavler og lærebøger.

Det tvinger forskerne til at kigge langt grundigere på forbindelsernes tæthed og hjernebarkens organisation. Hvis neuronen er så kompleks, er antallet af celler alene ikke nok til at beskrive hjernens "kraft". Det, der tæller, er også repertoiret af mulige driftstilstande.

Perspektiver for AI, medicin og nye computere

Beskrivelsen af dCaAP åbner en række nye spørgsmål – og samtidig flere meget konkrete muligheder for praktiske anvendelser. Mindst fire store områder er berørt:

• Neurobiologi: en bedre forståelse af, hvordan den menneskelige hjernebark kombinerer sanseinformation, hukommelse og opmærksomhed til en sammenhængende oplevelse
• AI: design af neurale netværk, der ikke blot afspejler forbindelserne mellem "kunstige neuroner", men også deres indre kompleksitet
• Medicin: et nyt blik på sygdomme, hvor dendritterne og ionkanalerne er forstyrrede – for eksempel visse former for epilepsi og udviklingsforstyrrelser
• Hardware-informatik: konstruktion af såkaldte neuromorfe integrerede kredsløb, der anvender principper svarende til den menneskelige hjerne og forbruger langt mindre energi end klassiske processorer

Hvis ingeniørerne overfører dCaAP-logikken til siliciumkredsløb, opstår der en chance for mikroprocessorer, der løser en del opgaver lokalt på en mere analog end digital måde. En sådan hybrid kan vise sig langt mere effektiv på de områder, hvor neurale netværk i dag dominerer – billedgenkendelse, lydgenkendelse og forudsigelse af komplekse fænomener.

De vigtigste spørgsmål for de kommende års forskning

Selvom selve signalet er lykkedes at beskrive relativt præcist, er mange spørgsmål stadig ubesvarede. Forskerne stiller i dag flere centrale spørgsmål:

• Hvor hyppigt optræder dCaAP i en hjerne, der fungerer i levende live – og ikke kun under laboratorieforhold?
• Er denne mekanisme udelukkende menneskelig, eller findes den også hos andre arter med en veludviklet hjernebark?
• I hvilke områder af hjernebarken er den mest aktiv – hænger den primært sammen med sprog, bevægelse eller arbejdshukommelse?
• Hvordan ændrer den sig i løbet af hjernens udvikling og under aldring?

Svarene på disse spørgsmål kan give konkret viden om processer, der hidtil har unddraget sig klassiske undersøgelser: bevidsthed, kreativitet og endda den subjektive oplevelse af tid. Når en enkelt neuron kan mere, end vi troede, danner hele netværk af sådanne celler et utroligt fleksibelt og dynamisk system.

Hvordan kan man som ikke-ekspert forestille sig det?

En god illustration er at sammenligne det med et kontormiljø. I den gamle model antog man, at hver medarbejder ved sin plads udførte én simpel opgave og ventede på chefens ordrer. Nu ser vi snarere et team af specialister, hvor hver enkelt har sine egne værktøjer, selv træffer en del beslutninger og om nødvendigt udfører komplekse operationer direkte ved sit eget skrivebord.

Dendritter med dCaAP fungerer som sådanne mini-kontorer inden for én enkelt nervecelle. Det er dér, den foreløbige informationsanalyse finder sted. Takket være det cirkulerer der længere ude i hjernens netværk allerede et mere "forarbejdet" signal – og det kan forklare, hvorfor den menneskelige hjerne klarer sig fremragende med opgaver, som en almindelig computer kæmper voldsomt med: for eksempel at genkende et ansigt øjeblikkeligt i en menneskemængde eller fornemme ironi i en persons stemme.

Hvad kan det betyde for den almindelige person?

Ved første øjekast lyder dCaAP som en abstrakt kuriositet fra laboratoriet. Men med tiden har sådanne mekanismer en tendens til at resultere i meget konkrete ting: mere effektive behandlinger af hukommelsesforstyrrelser, hurtigere og mere energibesparende AI-systemer i smartphones samt bedre metoder til at overvåge hjernens aktivitet – eksempelvis under søvn eller rehabilitering efter skader.

Det er også værd at huske, at hvert nyt redskab til at beskrive neuronernes aktivitet gør det muligt at skelne mere præcist mellem det "typiske" og det, der indikerer sygdom. Jo bedre vi forstår det naturlige "sprog" i dendritterne, desto tidligere kan afvigelser opdages – og desto mere målrettet kan behandlingen designes, frem for at man handler efter prøve-og-fejl-metoden.