Under hela evolutionen har enskilda celler fattat framgångsrika beslut på egen hand, även medan de bildar delar av stora nätverk, såsom neuroner och glia i den mänskliga hjärnan. Nu har forskare från King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) och EPFL Blue Brain Project (École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz) publicerat en ny teori som beskriver ett hemligt språk som celler kan använda för intern dialog om omvärlden.

Med hjälp av en beräkningsmodell antar de att metabola vägar, som i första hand är ett sätt att utvinna energi och byggstensmolekyler från glukos och andra substrat för att mata hjärnan, kan också vara kapabla att koda detaljer om neuromodulatorer som stimulerar ökad energiförbrukning. Neuromodulatorer är kemiska budbärare som reglerar utbytet av information i hjärnan.

Om det är sant, innebär detta ett nästan oändligt antal möjligheter för informationsbehandling i nervsystem och komponentcellsberäkningar. En sådan mekanism skulle också hjälpa till att förklara hjärnans anmärkningsvärda energieffektivitet.

Syftet med Blue Brain Project är att etablera simuleringsneurovetenskap som en kompletterande metod för att förstå hjärnan, vid sidan av experimentell, teoretisk och klinisk neurovetenskap, genom att bygga världens första biologiskt detaljerade digitala rekonstruktioner och simuleringar av mushjärnan.

I en studie som nyligen publicerades i Journal of Theoretical Biology , KAUST-Blue Brain Project-samarbetspartners visade hur två av dessa pelare – teori och simulering – kan fungera tillsammans med hjälp av en modell för astrocytisk energimetabolism. Astrocyter är stjärnliknande gliaceller i centrala nervsystemet. Modellen fokuserar på hur de samarbetar med neuroner för att ge bränsle till hjärnan och delta i beräkningar.

Författarna bekräftade rimligheten att en energimetabolisk väg kan vara kapabel att koda information och överföra detaljerade egenskaper om stimuli, såsom intensitets- och varaktighetsegenskaper, förutom dess kända funktioner i cellulär energi och kolbaserade molekylbudgetar. Exempel på stimuli inkluderar vågor av neuromodulatorer som anländer till cellytan.

Med tanke på hur många metabola vägar som är aktiva samtidigt, kan dessa mekanismer avsevärt öka beräkningsförmågan hos neuroner genom att ge dem en utökad verktygsuppsättning för anpassning och beslutsfattande. Forskare har länge varit imponerade av hjärnans energieffektivitet jämfört med mänskliga datorer. Att tilldela nya beräkningsroller till enskilda celler som sedan skickar den informationen till neuronala nätverk kan hjälpa till att förklara denna observation.

Medförfattare Pierre Magistretti, framstående professor i biovetenskap vid KAUST och chef för KAUST Smart Health Initiative, sa att "teamens simuleringar av neuromodulatorstimulerad glukosmetabolism i en astrocyt tyder på att metabola vägar skulle kunna bearbeta mer information än vi tidigare insett. Trots allt som redan är känt om hur enstaka celler tänker eller reagerar på sin miljö, har de förmodligen fortfarande några oupptäckta knep."

Materiaflödet genom dessa vägar involverar överlämnande av metabolitprodukter från en enzymkatalyserad reaktion till nästa över hela händelsekedjan, från aktivering av neuromodulatorreceptorer till produktion av energimetabolit som en excitabel enhet, eller en metabolisk tillståndsmaskin.

Blue Brain's Jay S. Coggan, huvudförfattare till studien, säger att deras "modell visar hur en metabolisk väg kan översätta externa stimuli till produktionsprofiler av energibärande molekyler som laktat med en precision bortom enkel signaltransduktion eller amplifiering. Sådana metaboliska vägar, och möjligen andra typer av kopplade enzymatiska reaktioner, kan vara väl positionerade för att koda en ytterligare nivå av information om en cells miljökrav. Denna hypotes har konsekvenser för hjärnans beräkningskraft och energieffektivitet."