Обновление памяти мозга: количественная оценка того, сколько информации могут хранить наши синапсы

Обновление памяти мозга: количественная оценка того, сколько информации могут хранить наши синапсы

Ученые Солка разрабатывают новую методику измерения силы и пластичности синапсов, поддерживая новые исследования в области обучения и памяти, а также того, как эти процессы ухудшаются с возрастом и болезнями.

ЛА ХОЛЛА — С каждым пролистыванием колоды карточек со словарными словами их определения приходят быстрее и легче. Этот процесс изучения и запоминания новой информации укрепляет важные связи в вашем мозгу. Более легкое вспоминание этих новых слов и определений с практикой свидетельствует о том, что эти нейронные связи, называемые синапсами, могут со временем становиться сильнее или слабее — особенность, известная как синаптическая пластичность.

Количественная оценка динамики отдельных синапсов может оказаться непростой задачей для нейробиологов, но недавние вычислительные инновации Института Солка могут изменить ситуацию и попутно открыть новые знания о мозге.

Чтобы понять, как мозг обучается и сохраняет информацию, ученые пытаются количественно оценить, насколько сильнее стал синапс в результате обучения и насколько он сильнее. получать. Синаптическую силу можно измерить, глядя на физические характеристики синапсов, но гораздо труднее измерить силу синапсов. точность пластичности (независимо от того, становятся ли синапсы слабее или сильнее на постоянной величине) и количества информации, которую синапс может хранить.

Ученые Солка разработали новый метод исследования силы синапсов, точности пластичности и объема хранимой информации. Количественная оценка этих трех синаптических особенностей может улучшить научное понимание того, как люди учатся и запоминают, а также как эти процессы развиваются с течением времени или ухудшаются с возрастом или болезнью. Результаты были опубликованы в Нейронные вычисления апреля 23, 2024.

«Мы становимся лучше в определении того, где и как отдельные нейроны связаны друг с другом, но нам еще многое предстоит узнать о динамике этих связей», — говорит профессор. Терренс Сейновски, старший автор исследования и руководитель кафедры Фрэнсиса Крика в Солке. «Теперь мы создали технику для изучения силы синапсов, точности, с которой нейроны модулируют эту силу, а также количества информации, которую синапсы способны хранить. Это привело нас к выводу, что наш мозг может хранить 10 раз больше информации, чем мы думали раньше».

Когда сообщение проходит через мозг, оно прыгает от нейрона к нейрону, переходя от конца одного нейрона к вытянутым усикам, называемым дендритами, другого. Каждый дендрит нейрона покрыт крошечными выпуклыми придатками, называемыми дендритными шипами, а на конце каждого дендритного шипа находится синапс — крошечное пространство, где встречаются две клетки и передается электрохимический сигнал. Различные синапсы активируются для отправки разных сообщений.

Некоторые сообщения активируют пары синапсов, которые располагаются рядом друг с другом на одном дендрите. Эти пары синапсов являются фантастическим исследовательским инструментом: если два синапса имеют идентичную историю активации, ученые могут сравнить силу этих синапсов и сделать выводы о точности пластичности. Поскольку через эти два синапса прошел один и тот же тип и количество информации, изменилась ли сила каждого из них на одинаковую величину? Если да, то их точность пластичности высока.

Команда Солка применила концепции теории информации для анализа пар синапсов гиппокампа крысы — части мозга, участвующей в обучении и памяти, — на прочность, пластичность и точность пластичности. Теория информации — это сложный математический способ понимания обработки информации как входных данных, проходящих через зашумленный канал и восстанавливаемых на другом конце.

Важно отметить, что в отличие от методов, использовавшихся в прошлом, теория информации учитывает зашумленность многих сигналов и клеток мозга, а также предлагает дискретную единицу информации — бит — для измерения количества информации, хранящейся в синапсе.

«Мы разделили синапсы по силе, из которых было 24 возможных категории, затем сравнили специальные пары синапсов, чтобы определить, насколько точно модулируется сила каждого синапса», — говорит Мохаммад Самават, первый автор исследования и научный сотрудник лаборатории Сейновски. «Мы были рады обнаружить, что пары имели очень похожие размеры дендритных отростков и силу синапсов, а это означает, что мозг очень точно делает синапсы слабее или сильнее с течением времени».

Помимо того, что команда отметила сходство силы синапсов внутри этих пар, что означает высокий уровень точности пластичности, команда также измерила объем информации, хранящейся в каждой из 24 категорий силы. Несмотря на различия в размерах каждого дендритного отростка, каждая из 24 категорий синаптической силы содержала одинаковое количество (от 4.1 до 4.6 бит) информации.

По сравнению со старыми методами, этот новый подход с использованием теории информации является 1) более тщательным, поскольку в мозге хранится в 10 раз больше информации, чем предполагалось ранее, и 2) масштабируемым, то есть его можно применять к разнообразным и большим наборам данных для сбора информации. о других синапсах.

«Эта методика окажет огромную помощь нейробиологам», — говорит Кристен Харрис, профессор Техасского университета в Остине и автор исследования. «Такое детальное изучение синаптической силы и пластичности может действительно стимулировать исследования в области обучения и памяти, и мы можем использовать его для изучения этих процессов во всех различных частях человеческого мозга, мозга животных, молодого мозга и старого мозга».

Сейновский говорит, что будущая работа таких проектов, как BRAIN Initiative Национального института здравоохранения, в рамках которой был создан атлас клеток головного мозга человека в октябре 2023 года смогут воспользоваться этим новым инструментом. Помимо ученых, которые каталогизируют типы и поведение клеток мозга, этот метод интересен тем, кто изучает ситуации, когда хранение информации идет наперекосяк, как в Болезнь Альцгеймера.

В ближайшие годы исследователи по всему миру смогут использовать эту технику, чтобы сделать захватывающие открытия о способности человеческого мозга осваивать новые навыки, запоминать повседневные действия и хранить информацию в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

Автором статьи также является Томас Бартол из Солка.

Работа была поддержана Национальным научным фондом (DBI-1707356, DBI-2014862, 2219894, IIS-2219979) и Национальными институтами здравоохранения (P41GM103712, MH095980-07, MH115556, MH129066).

DOI: 10.1162/neco_a_01659