Wyniki przeprowadzonych przez nich badań, opublikowane w numerze magazynu Sciene z 2. kwietnia 2010, zawierają istotne wskazówki odnośnie tego, jak mózg koduje i przetwarza informacje. Może to mieć wiele zastosowań, począwszy od zrozumienia chorób psychicznych, kończąc na rozwoju nowatorskich metod leczenia oraz nowych sposobów przetwarzania informacji przez komputery i sieci komunikacyjne.

Wcześniej neurobiolodzy mieli ograniczoną możliwość obserwacji aktywności poszczególnych komórek mózgowych, co doprowadziło do ogólnie przyjętego poglądu, iż neurony komunikują się ze sobą za pomocą strumieni krótkich impulsów elektrycznych, zwiększając średnie natężenie impulsów w celu „zwrócenia na siebie uwagi”.
Jednak komunikacja między neuronami nie ogranicza się tylko do relacji jeden do jednego.  W istocie każda komórka odbiera informacje od setek innych komórek, które wysyłają informacje przez tysiące synaps, tj.  wyspecjalizowanych połączeń, pozwalających na przesyłanie impulsów między neuronami.

„Niestety nie dysponujemy jeszcze technologią, która pozwoliłaby dosłownie zrozumieć, co „mówią” neurony do swojego odbiorcy. Wymagałoby to równoczesnego „nasłuchu” setek komórek” – tłumaczy Hsi-Ping Wang, doktorant dowodzący eksperymentem. „Z tego powodu, nikt nie potrafił odpowiedzieć na bardzo proste pytanie, z którym zmagali się neurobiolodzy od kilkudziesięciu lat, mianowicie: Ile neuronów i synaps potrzeba, aby wiarygodnie przesłać sygnał z punktu A do punktu B?” dodaje badacz.
Pytanie to dotyczy głownie wzgórza, centralnej „tablicy rozdzielczej”, która przetwarza odbierane informacje sensoryczne i rozdziela je na wszystkie rejony kory mózgowej.  Informacje dostarczane do wzgórza stanowią jedynie 5% wszystkich sygnałów, które odbierają tzw. kolczaste komórki gwiaździste w korze mózgowej, mimo że kierują one sporą częścią aktywności w korze.

„Paradoksem jest, iż taka mała ilość synaps może mieć tak duży wpływ,” komentuje profesor Terrence J. Sejnowski, badacz z Howard Hughes Medical Intityte, kierownik Computational Neurobiology Labratory. „Jeśli średnie wartości natężeń impulsów elektrycznych byłyby decydującym czynnikiem, informacje dostarczane do wzgórza nie zostałyby dostrzeżone wśród 95% innych impulsów z komórek kory,” wyjaśnia naukowiec.
Bazując na założeniu, że mózg dba o to, aby działanie impulsów elektrycznych było wiarygodne i dokładne, zespół Sejnowskiego stworzył realistyczny model komputerowy kolczastej komórki gwiaździstej  oraz sygnałów, które są do niej przesyłane  za pomocą przeszło sześciu tysięcy synaps. „Odkryliśmy, że nie liczy się ilość impulsów elektrycznych, lecz to ile z tych impulsów dociera w tym samym czasie,” wyjaśnia Sejnowski.

„Niespodziewanie, nasz model przewiduje, iż do stworzenia nadzwyczaj wiarygodnego systemu sygnalizacji, potrzeba jedynie trzydzieści z sześciu tysięcy równocześnie przesyłających impulsy, dostępnych synaps. Natomiast nasze przypuszczenie pokrywa się z obecnie dostępnymi pomiarami na żywych organizmach i obecnym rozumieniem. Owe sześć tysięcy synaps mogłoby wysyłać impulsy w tym samym momencie, jednak byłoby to marnotrawstwem zasobów,”  tłumaczy Wang.
Naukowcy mają nadzieję, iż wyniki ich badań pozwolą im na nowo zrozumieć zagadnienie, które jest świętym Graalem neurobiologii, mianowicie rozszyfrowanie kodu neuronowego lub języka mózgu.  Jeśli oko będzie bez przerwy odbierać tą samą informację wizualną w identycznych warunkach, można spodziewać się, że sygnał, czyli seria generowanych impulsów elektrycznych lub bitów, będzie dokładnie ten sam.

„Nie wiadomo jednak, czy wystąpi to w warunkach naturalnych i czy jest to  pod względem technicznym bardzo trudne do pomiaru,” komentuje starszy uczony i współautor eksperymentu, doktor Donald Spencer. „ To moment, w którym potęga skomputeryzowanej neurobiologii sprawdzi się pod względem dostarczenia odpowiedzi na nurtujące nas pytania,” wyjaśnia uczony.
„Zastosowanie teorii inżynierii w badaniach mózgu pomogło nam zdobyć nową wiedzę na temat tego, jak neurony komunikują się między sobą,” mówi Wang. „Z drugiej jednak strony, sposób, w jaki mózg wykonuje wiele operacji jest wyjątkowy i różni się od sposobu, w który wykonuje je komputer. Lepsze zrozumienie tego, jak działa mózg pozwala nam uchwycić te algorytmy i może mieć wpływ na to, czym zajmują się inżynierowie na co dzień,” tłumaczy badacz.
Jean-Marc Fellous, profesor nadzwyczajny pracujący na Wydziale Psychologii i Matematyki Stosowanej na University of Arizona, miał również swój wkład w przebieg badania.
Badanie zostało finansowo wsparte przez Howard Hughes Medical Institute.

Źródło: www.sciencedaily.com