Нове дослідження підтверджує, що мозок може зберігати майже вдесятеро більше інформації, ніж вважалося раніше. Як і у випадку з комп’ютерами, обсяг пам’яті мозку вимірюється в «бітах», а кількість бітів, які може зберігати, залежить від зв’язків між його нейронами, відомих як синапси. Історично склалося так, що вчені вважали, що синапси бувають досить обмеженого розміру та сили, а це, у свою чергу, обмежує обсяг пам’яті мозку. Однак останніми роками ця теорія була піддана сумніву — і нове дослідження ще раз підтверджує ідею про те, що мозок може утримувати приблизно в 10 разів більше думок, ніж колись думалося.
У новому дослідженні дослідники розробили високоточний метод оцінки сили зв’язків між нейронами у частині мозку щура. Ці синапси становлять основу навчання та пам’яті, оскільки клітини мозку спілкуються у цих точках і, таким чином, зберігають та обмінюються інформацією.
Краще зрозумівши, як синапси посилюються та послаблюються і наскільки, вчені точніше визначили, скільки інформації можуть зберігати ці сполуки. Аналіз, опублікований у журналі Neural Computation, демонструє, як цей новий метод може не лише покращити наше розуміння навчання, але також старіння та хвороб, які руйнують зв’язки у мозку.
У людському мозку між нейронами є понад 100 трильйонів синапсів. Через ці синапси запускаються хімічні посланці, які полегшують передачу інформації з мозку. У міру того, як ми вчимося, передача інформації через певні синапси збільшується. Таке зміцнення синапсів дозволяє нам зберігати нову інформацію. Загалом, синапси посилюються або послаблюються залежно від активності складових нейронів — явище, зване синаптичної пластичністю.
Однак у міру того, як ми старіємо або розвиваємося неврологічні захворювання, такі як хвороба Альцгеймера, наші синапси стають менш активними і, отже, слабшають, знижуючи когнітивні функції та нашу здатність зберігати та отримувати спогади.
Вчені можуть виміряти силу синапсів, дивлячись з їхньої фізичні характеристики. Крім того, повідомлення, надіслані одним нейроном, іноді активують пару синапсів, і вчені можуть використовувати ці пари для вивчення точності синаптичної пластичності. Іншими словами, при тому самому повідомленні кожен синапс у парі посилюється або послаблюється однаково.
Вимірювання точності синаптичної пластичності у минулому виявилося важким, як і вимір того, скільки інформації може зберігати той чи інший синапс. Нове дослідження змінює ситуацію.
Щоб виміряти силу та пластичність синапсів, команда використала теорію інформації – математичний спосіб зрозуміти, як інформація передається через систему. Цей підхід також дозволяє вченим кількісно оцінити, який обсяг інформації може передаватися через синапси, враховуючи «фоновий шум» мозку.
Ця інформація, що передається, вимірюється в бітах, так що синапс з великою кількістю бітів може зберігати більше інформації, ніж синапс з меншою кількістю бітів, зазначив співавтор дослідження Терренс Сейновскі. Один біт відповідає передачі синапс двох рівнів потужності, а два біти відповідають чотирьом рівням і так далі.
Команда проаналізувала пари синапсів з гіпокампа щура – області мозку, яка відіграє важливу роль у навчанні та формуванні пам’яті. Ці пари синапсів були сусідами і активувалися у відповідь на той самий тип і кількість сигналів мозку. Команда визначила, що при однакових вхідних даних ці пари посилювалися або послаблювалися однаково, що дозволяє припустити, що мозок дуже точний при налаштуванні сили цього синапсу.
Аналіз показав, що синапси в гіпокампі можуть зберігати від 41 до 46 біт інформації. Дослідники дійшли аналогічного висновку у більш ранньому дослідженні мозку щурів, але вони обробили дані менш точним методом. Нове дослідження допомагає підтвердити те, що зараз припускають багато нейробіологів, що синапси несуть набагато більше, ніж один біт кожен.
Результати засновані на дуже маленькій області гіпокампу щура, тому неясно, як вони будуть масштабуватися на весь мозок щура або людини. “Було б цікаво визначити, як здатність до зберігання інформації варіюється в залежності від мозку та між видами”, – сказав Ю.
За словами Фокса, у майбутньому метод команди можна буде використовувати для порівняння ємності пам’яті різних областей мозку. Його також можна використовувати для вивчення однієї області мозку, коли вона здорова і коли вона перебуває у хворобливому стані.
