Durante l'evoluzione, le singole cellule hanno preso decisioni di successo da sole, anche mentre formavano parti di vaste reti, come i neuroni e la glia nel cervello umano. Ora gli scienziati della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) e dell'EPFL Blue Brain Project (École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera) hanno pubblicato una nuova teoria che descrive un linguaggio segreto che le cellule possono utilizzare per il dialogo interno sul mondo esterno.

Utilizzando un modello computazionale, ipotizzano che le vie metaboliche, che sono principalmente un mezzo per estrarre energia e molecole costitutive dal glucosio e altri substrati per nutrire il cervello, potrebbero anche essere in grado di codificare dettagli sui neuromodulatori che stimolano l'aumento del consumo di energia. I neuromodulatori sono messaggeri chimici che regolano lo scambio di informazioni nel cervello.

Se è vero, ciò implica un numero quasi infinito di possibilità per l'elaborazione delle informazioni nei sistemi nervosi e nei calcoli delle cellule componenti. Un tale meccanismo aiuterebbe anche a spiegare la notevole efficienza energetica dei cervelli.

L'obiettivo del progetto Blue Brain è quello di stabilire la neuroscienza di simulazione come approccio complementare alla comprensione del cervello, insieme alle neuroscienze sperimentali, teoriche e cliniche, costruendo le prime ricostruzioni e simulazioni digitali biologicamente dettagliate al mondo del cervello del topo.

In uno studio recentemente pubblicato sul Journal of Theoretical Biology , i collaboratori del KAUST-Blue Brain Project hanno dimostrato come due di questi pilastri, teoria e simulazione, possono lavorare in tandem utilizzando un modello del metabolismo energetico astrocitico. Gli astrociti sono cellule gliali simili a stelle nel sistema nervoso centrale. Il modello è incentrato sul modo in cui cooperano con i neuroni per alimentare il cervello e partecipare ai calcoli.

Gli autori hanno confermato la plausibilità che una via metabolica dell'energia potrebbe essere in grado di codificare informazioni e trasmettere caratteristiche dettagliate sugli stimoli, come le caratteristiche di intensità e durata, oltre alle sue funzioni note nell'energia cellulare e nei bilanci delle molecole a base di carbonio. Esempi di stimoli includono onde di neuromodulatori che arrivano sulla superficie cellulare.

Considerando quante vie metaboliche sono attive contemporaneamente, questi meccanismi potrebbero aumentare significativamente le capacità computazionali dei neuroni fornendo loro un set di strumenti ampliato per l'adattamento e il processo decisionale. Gli scienziati sono rimasti a lungo impressionati dall'efficienza energetica del cervello rispetto ai computer di fabbricazione umana. L'assegnazione di nuovi ruoli computazionali a singole cellule che poi trasmettono tali informazioni alle reti neuronali potrebbe aiutare a spiegare questa osservazione.

Il coautore Pierre Magistretti, Distinguished Professor of Bioscience presso KAUST e direttore della KAUST Smart Health Initiative, ha affermato che "le simulazioni dei team del metabolismo del glucosio stimolato da neuromodulatori in un astrocita suggeriscono che le vie metaboliche potrebbero essere in grado di elaborare più informazioni di noi realizzato in precedenza. Nonostante tutto ciò che è già noto su come le singole cellule pensano o rispondono al loro ambiente, probabilmente hanno ancora alcuni trucchi da scoprire."

Il flusso di materia attraverso questi percorsi comporta il passaggio di prodotti metaboliti da una reazione catalizzata da un enzima all'altra attraverso l'intera catena di eventi, dall'attivazione del recettore del neuromodulatore alla produzione di metaboliti energetici come unità eccitabile o macchina dello stato metabolico.

Jay S. Coggan di Blue Brain, autore principale dello studio, afferma che il loro "modello mostra come un percorso metabolico può tradurre gli stimoli esterni in profili di produzione di molecole che trasportano energia come il lattato con una precisione che va oltre la semplice trasduzione o amplificazione del segnale. Tale metabolismo metabolico percorsi, e possibilmente altri tipi di reazioni enzimatiche accoppiate, potrebbero essere ben posizionati per codificare un ulteriore livello di informazioni sulle richieste ambientali di una cellula.Questa ipotesi ha implicazioni per la potenza di calcolo e l'efficienza energetica del cervello".