Объем памяти мозга в 10 раз больше, чем считалось ранее

Объем памяти мозга в 10 раз больше, чем считалось ранее

Данные Института Солка показывают, что объем памяти мозга составляет петабайты, столько же, сколько у всего Интернета.

ЛА-ХОЛЬЯ. Исследователи из Солка и их коллеги достигли критического понимания размера нейронных связей, поставив объем памяти мозга намного выше, чем общепринятые оценки. Новая работа также отвечает на давний вопрос о том, почему мозг настолько энергоэффективен и может помочь инженерам создавать невероятно мощные компьютеры, которые также сохраняют энергию.

«Это настоящая бомба в области неврологии», — говорит Терри Сейновски, профессор Солка и соавтор статьи, которая была опубликована в eLife. «Мы нашли ключ к разгадке принципа функционирования нейронов гиппокампа с низким энергопотреблением, но высокой вычислительной мощностью. Наши новые измерения объема памяти мозга увеличивают консервативные оценки в 10 раз, по крайней мере, до петабайта, на том же уровне, что и Всемирная паутина».

Наши воспоминания и мысли являются результатом закономерностей электрической и химической активности мозга. Ключевая часть активности происходит, когда ветви нейронов, очень похожие на электрический провод, взаимодействуют в определенных соединениях, известных как синапсы. Выходной «провод» (аксон) одного нейрона соединяется с входным «проводом» (дендритом) второго нейрона. Сигналы проходят через синапс в виде химических веществ, называемых нейротрансмиттерами, чтобы сообщить принимающему нейрону, передавать ли электрический сигнал другим нейронам. Каждый нейрон может иметь тысячи таких синапсов с тысячами других нейронов.

«Когда мы впервые реконструировали каждый дендрит, аксон, глиальный отросток и синапс из объема гиппокампа размером с один эритроцит, мы были несколько сбиты с толку сложностью и разнообразием синапсов», — говорит Кристен Харрис, соавтор исследования. автор работы и профессор неврологии в Техасский университет, Остин. «Хотя я надеялся узнать фундаментальные принципы организации мозга из этих подробных реконструкций, я был действительно поражен точностью, полученной при анализе этого отчета».

Синапсы до сих пор остаются загадкой, хотя их дисфункция может вызывать ряд неврологические заболевания. Синапсы большего размера — с большей площадью поверхности и везикулами нейротрансмиттеров — сильнее, что делает их более активными для окружающих нейронов, чем синапсы среднего или малого размера.

Команда Солка, строя 3D-реконструкцию ткани гиппокампа крысы (центр памяти мозга), заметила нечто необычное. В некоторых случаях один аксон одного нейрона образовывал два синапса, идущие к одному дендриту второго нейрона, что означает, что первый нейрон, по-видимому, посылает дублирующее сообщение принимающему нейрону.

Сначала исследователи не придали особого значения этой двойственности, которая происходит примерно в 10% случаев в гиппокампе. Но у Тома Бартола, штатного научного сотрудника Солка, возникла идея: если бы они могли измерить разницу между двумя очень похожими синапсами, такими как эти, они могли бы получить представление о размерах синапсов, которые до сих пор классифицировались в этой области только как малые, средние. и большой.

Для этого исследователи использовали передовую микроскопию и вычислительные алгоритмы, которые они разработали для визуализации мозга крыс и реконструкции связей, форм, объемов и площади поверхности мозговой ткани вплоть до наномолекулярного уровня.

Ученые ожидали, что синапсы будут примерно одинаковыми по размеру, но были удивлены, обнаружив, что синапсы оказались почти идентичными.

«Мы были поражены, обнаружив, что разница в размерах пар синапсов очень мала, в среднем всего около восьми процентов. Никто не думал, что это будет такая маленькая разница. Это была кривая природа», — говорит Бартол.

Поскольку объем памяти нейронов зависит от размера синапса, эта восьмипроцентная разница оказалась ключевым числом, которое команда затем могла использовать в своих алгоритмических моделях мозга, чтобы измерить, сколько информации потенциально может храниться в синаптических связях.

Ранее было известно, что разница в размерах между самыми маленькими и самыми большими синапсами составляет 60 раз и что большинство из них маленькие.

Но, вооружившись знанием того, что синапсы всех размеров могут различаться с приращением всего на восемь процентов между размерами в пределах коэффициента 60, команда определила, что может быть около 26 категорий размеров синапсов, а не всего несколько.

«Наши данные показывают, что существует в 10 раз больше дискретных размеров синапсов, чем считалось ранее», — говорит Бартол. В компьютерных терминах 26 размеров синапсов соответствуют примерно 4.7 «битам» информации. Раньше считалось, что мозг способен использовать всего один-два бита для хранения краткой и длинной памяти в гиппокампе.

«Это примерно на порядок больше точности, чем кто-либо когда-либо мог себе представить», — говорит Сейновски.

Что делает эту точность загадочной, так это то, что синапсы гиппокампа общеизвестно ненадежны. Когда сигнал переходит от одного нейрона к другому, он обычно активирует второй нейрон только в 10–20 % случаев.

«Мы часто задавались вопросом, как из таких ненадежных синапсов может вытекать замечательная точность мозга», — говорит Бартол. Один из ответов, по-видимому, заключается в постоянной настройке синапсов, усреднении их успехов и отказов с течением времени. Команда использовала свои новые данные и статистическую модель, чтобы выяснить, сколько сигналов потребуется паре синапсов, чтобы получить эту восьмипроцентную разницу.

Исследователи подсчитали, что для самых маленьких синапсов около 1,500 событий вызывают изменение их размера/способности (20 минут), а для самых больших синапсов только пара сотен сигнальных событий (от 1 до 2 минут) вызывают изменение.

«Это означает, что каждые 2 или 20 минут ваши синапсы увеличиваются или уменьшаются до следующего размера. Синапсы настраиваются в соответствии с сигналами, которые они получают», — говорит Бартол.

«Наша предыдущая работа намекала на возможность того, что шипы и аксоны, которые соединяются вместе, будут иметь одинаковый размер, но реальность точности действительно поразительна и закладывает основу для совершенно новых способов думать о мозге и компьютерах», — говорит Харрис. «Работа, ставшая результатом этого сотрудничества, открыла новую главу в поиске механизмов обучения и памяти». Харрис добавляет, что полученные результаты предлагают больше вопросов для изучения, например, применяются ли аналогичные правила для синапсов в других областях мозга и как эти правила различаются в процессе развития и изменения синапсов на начальных этапах обучения.

«Последствия того, что мы обнаружили, имеют далеко идущие последствия», — добавляет Сейновски. «Под кажущимся хаосом и беспорядком в мозгу скрыта скрытая от нас точность размеров и форм синапсов».

Полученные данные также предлагают ценное объяснение удивительной эффективности мозга. Мозг бодрствующего взрослого человека вырабатывает всего около 20 ватт постоянной мощности — столько же, сколько очень тусклая лампочка. Открытие Солка может помочь ученым-компьютерщикам создавать сверхточные, но энергоэффективные компьютеры, особенно те, которые используют «глубокое обучение» и искусственные нейронные сети — методы, способные к сложному обучению и анализу, таким как речь, распознавание объектов и перевод.

«Эта уловка мозга абсолютно точно указывает на способ создания более совершенных компьютеров», — говорит Сейновски. «Использование вероятностной передачи оказывается столь же точным и требует гораздо меньше энергии как для компьютеров, так и для мозгов».

Другими авторами статьи были Кейли Бромер из Института Солка; Джастин Кинни из Институт исследования мозга Макговерна; и Майкл А. Чирилло и Дженнифер Н. Борн из Техасского университета в Остине.

Работа была поддержана NIH и Медицинский институт Говарда Хьюза.