Eén neuron kan een supercomputer zijn, blijkt uit Chinees onderzoek
Decennialang is het standaardbeeld van hoe de hersenen denken een netwerk van vele eenvoudige, puntvormige neuronen die signalen doorgeven totdat er op de een of andere manier berekening ontstaat. Een nieuwe studie van Chinese onderzoekers daagt dat beeld uit: een enkel neuron is volgens hen helemaal geen eenvoudig knooppunt. De vertakte dendrieten komen neer op een “supercomputer” die zelfstandig geavanceerde cognitieve berekeningen kan uitvoeren.
Het werk is afkomstig van een team onder leiding van Xu Ninglong, onderzoeker bij het Centrum voor Excellentie in Hersenwetenschappen en Intelligente Technologie, onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, gevestigd in Shanghai. De bevindingen werden op 16 oktober online gepubliceerd in Science, een van ‘s werelds meest geciteerde algemene wetenschappelijke tijdschriften.
“Het is als het werk van verschillende computers die met elkaar in netwerk zijn verbonden — een enkele ‘dendriet’-supercomputer kan het doen”, zei Xu, volgens een bericht in Science and Technology Daily, de krant van het Chinese ministerie van Wetenschap en Technologie. Dendrieten zijn de boomachtige vertakkingen die zich uitstrekken vanaf het cellichaam van een neuron en inkomende signalen ontvangen, een bekend kenmerk van elk diagram van een zenuwcel.
In het traditionele model telt een neuron de signalen op die bij zijn vele synapsen aankomen en vuurt als het totaal een drempel overschrijdt — een tamelijk bescheiden taak voor elke cel, waarbij de echte intelligentie voortkomt uit enorme aantallen verbindingen. Het nieuwe onderzoek suggereert dat de dendrieten zelf aanzienlijke verwerking uitvoeren voordat een signaal het cellichaam bereikt, en effectief een berekening binnen een enkele cel uitvoeren.
De implicaties reiken verder dan de fundamentele neurowetenschap. Begrijpen hoe biologische neuronen zo efficiënt rekenen is een langdurige inspiratiebron voor computeringenieurs die capabelere en energiezuiniger machines proberen te bouwen, en voor onderzoekers die leren, geheugen en neurologische ziekten op het niveau van individuele cellen proberen te begrijpen.
De bevinding past ook in een breder patroon in de Chinese hersenwetenschap, waar onderzoekers zwaar hebben geïnvesteerd in beeldvormings-, registratie- en modelleringstechnieken waarmee ze levende neuronen aan het werk kunnen zien. Kunnen aantonen dat er binnen een enkele dendriet wordt gerekend, vereist zowel delicate experimenten als serieuze theoretische modellering.
De studie werd in de Chinese media gerapporteerd als een van de toonaangevende wetenschapsverhalen van de dag, gepresenteerd als een herschrijving van een leerboekveronderstelling in plaats van een incrementeel resultaat. Voor een algemeen publiek is de boodschap eenvoudig: de bouwstenen van de hersenen zijn misschien veel slimmer dan het standaarddiagram suggereert, en de grens tussen ‘één cel’ en ‘een netwerk’ is vager dan wetenschappers ooit dachten.
Er blijven vragen, zoals bij elk nieuw resultaat. Hoe wijdverbreid deze dendritische berekening is over hersengebieden en soorten, en hoe ze bijdraagt aan echt gedrag, zal jaren van vervolgonderzoek vergen. Maar de bewering zelf is opmerkelijk: als een enkel neuron een cognitieve berekening kan uitvoeren, vertegenwoordigen de naar schatting tientallen miljarden neuronen van de hersenen veel meer rekenkracht dan het oude model hun toeschreef.