Original: http://www.salk.edu/news-release/memory-capacity-of-brain-is-10-times-more-than-previously-thought/
Дані Інституту Солка показують, що обсяг пам’яті мозку знаходиться в діапазоні петабайта, це стільки ж, скільки охоплює весь Інтернет
20 січня 2016 року
ЛА-ХОЙЯ — Дослідники і співробітники Інституту Солка досягли критичного розуміння розмірів нервових зв’язків, поставивши ємність пам’яті мозку набагато вище, ніж загальних оцінок. Нова робота також відповідає на давню питання про те, як мозок настільки низьким енергоспоживанням і може допомогти інженерам створювати комп’ютери, які неймовірно потужним, але і економити енергію.
“Це справжня бомба в області нейробіології”, – говорить Террі Сейновскі, професор Солка і співавтор старшого автора статті, яка була опублікована в eLife. “Ми виявили ключ до розгадки принципу проектування для того, як нейрони гіпокампу функціонувати з низькою енергією, але високої потужності обчислень. Наші нові виміри ємності пам’яті мозку збільшують консервативні оцінки на коефіцієнт 10, щонайменше петабайта, в тому ж самому футбольному полі як Інтернет”.
Наші спогади і думки є результатом патернів електричної та хімічної активності в головному мозку. Ключова частина діяльності відбувається, коли гілки нейронів, так само, як електричний провід, взаємодіяти на певних перехрестях, відомих як синапси. Вихід “провід” (аксон) від одного нейрона підключається до вхідного “проводу” (дендритів) другого нейрона. Сигнали подорожувати через синапс, як хімічні речовини, звані нейротрансмітери сказати приймаючу нейрон чи передати електричний сигнал іншим нейронам. Кожен нейрон може мати тисячі цих синапсів з тисячами інших нейронів.
“Під час нашої першої реконструювали всі дендрити, аксон, гліальних процес і синапс від обсягу гіпокампу розміром з однієї червоної кров’яної клітини, ми були кілька спантеличені складністю і різноманітністю серед синапсів”, – говорить Крістен Харріс, співавтор старшого автора роботи і професор неврології в Університеті штату Техас в Остіні. “У той час як я сподівався дізнатися основні принципи про те, як мозок організований з цих детальних реконструкцій, я був дійсно вражений точністю, отриманої при аналізі даного звіту”.
Синапси досі загадка, хоча їх дисфункція може викликати цілий ряд неврологічних захворювань. Великі синапси з більшою площею поверхні і везикул нейротрансмітерів-сильніше, що робить їх більш імовірно, щоб активувати їх оточуючих нейронів, ніж середні або малі синапсів.
Команда Солка при побудові 3D-реконструкції гіпокампу тканини (центр пам’яті мозку) щура помітила щось незвичайне. У деяких випадках один аксон від одного нейрона утворюється два синапси виходу на один дендрита другий нейрон, що означає, що перший нейрон, здавалося, посилаючи дублікат повідомлення на приймаючому нейроні.
По-перше, дослідники не замислюються про цю подвійність, яке відбувається близько 10 відсотків часу в гіпокампі. Але Том Бартолі, штат вчений Солка, мав ідею: якби вони могли виміряти різницю між двома дуже схожими синапсів, таких як вони, вони могли б почерпнути уявлення про синаптичних розмірів, які до сих пір були тільки класифіковані в області як малі, середні і великий.
Для цього дослідники використовували передові мікроскопії та обчислювальні алгоритми вони були розроблені, щоб зображення мозку щурів і реконструювати зону підключення, форми, обсяги і площі поверхні мозкової тканини до рівня наномолекулярної.
Учені очікували, що синапси буде приблизно однаковим за розміром, але були здивовані, виявивши синапси були майже ідентичні.
“Ми були вражені, виявивши, що різниця в розмірах пар синапсів були дуже малі, в середньому, лише близько восьми відсотків відрізняються за розміром. Ніхто не думав, що буде така невелика різниця. Це була природна непередбачувана обставина”, – говорить Бартолі.
Оскільки ємність пам’яті нейронів залежить від розміру синапсів, ця різниця вісім відсотків виявилася ключовою номер команди може потім підключити до їх алгоритмічних моделей мозку, щоб виміряти, скільки інформації потенційно можуть бути збережені в синаптичних з’єднань.
У обчислювальної реконструкції мозкової тканини в гіпокампі, Солка вчені та науковці Техаського університету в Остіні виявили незвичайну появу двох синапсів від аксона одного нейрона (напівпрозора чорна смуга), утворюючи на двох шипів на тому ж дендритів другого нейрона (жовтий ). Окремі термінали від аксона одного нейрона, показані в синаптичної контакті з двома голками (стрілками) на тому ж дендрита другий нейрон в гіпокампі. Обсяги голови хребта, синаптичні ділянки контакту (червоний), діаметри шиї (сірого кольору) і кількість пресинаптических бульбашках (білі сфери) цих двох синапсів практично ідентичні.
Клацніть тут, щоб відкрити зображення з високою роздільною здатністю.
Надано Інститутом Солка
Це було відомо до того, що діапазон в розмірах між найменшими і найбільшими синапсів був фактором 60 і що більшість з них невеликі.
Але озброєний знанням того, що синапси всіх розмірів може змінюватися з кроком всього лише вісім відсотків між розмірами в межах 60 раз, команда визначається там може бути близько 26 категорій розмірів синапсів, а не тільки деякі з них.
“Наші дані дозволяють припустити, є в 10 разів більше дискретних розмірів синапсів, ніж вважалося раніше”, – говорить Бартолі. У комп’ютерній термінології, 26 розміри синапсів відповідають приблизно 4,7 “біт” інформації. Раніше вважалося, що мозок був здатний тільки від одного до двох бітів для короткого і тривалого зберігання пам’яті в гіпокампі.
“Це приблизно на порядок точності більше, ніж будь-коли хто-собі”, – говорить Сейновскі.
Те, що робить цю точність загадковим є те, що гіпокампу синапси, як відомо, ненадійні. Коли сигнал проходить від одного нейрона до іншого, то, як правило, активує цей другий нейрон лише від 10 до 20 відсотків часу.
“Ми часто задавалися питанням, як чудовий точність мозку може вийти з таких ненадійних синапсів”, – говорить Бартолі. Один відповідь, здається, знаходиться в постійному коригуванню синапсів, усредняя їх показники успіху і невдачі протягом довгого часу. Команда використовувала свої нові дані і статистичну модель, щоб з’ясувати, скільки сигналів це зайняло б пару синапсів, щоб дістатися до тієї різницею, вісім відсотків.
Дослідники підрахували, що для самих маленьких синапсів, близько 1500 подій призводять до зміни їх розміру/здатності (20 хвилин) і для найбільших синапсів, тільки пару сотень сигнальних подій (від 1 до 2 хвилин) призводить до зміни.
“Це означає, що кожні 2 або 20 хвилин, ваші синапси йдуть вгору або вниз до наступного розміру. Ці синапси пристосовуються відповідно до сигналів, які вони отримують”, – говорить Бартолі.
Зліва направо: Террі Сейновскі, Кейлі Бромер і Том Бартолі
Клацніть тут, щоб відкрити зображення з високою роздільною здатністю.
Надано Інститутом Солка
“Наша попередня робота натякала на можливість того, що колючки і аксонів, які Синапс разом будуть аналогічні за розмірами, але реальність точності є воістину чудовим і закладає основу для цілих нових способів думати про мозок і комп’ютерів”, – говорить Харріс. “Робота в результаті цієї співпраці відкрило нову главу в пошуках навчання і пам’яті механізмів”. Харріс додає, що отримані дані свідчать більше питань для вивчення, наприклад, якщо аналогічні правила діють і для синапсів в інших областях мозку, і як ці правила відрізняються в процесі розробки і в синапсах змінити на початкових етапах навчання.
“Наслідки того, що ми знайшли далекосяжні наслідки”, – додає Сейновскі. “Приховані під удаваним хаосом і безладності мозку є основною точністю до розміру і форми синапсів, які були приховані від нас”.
Результати також пропонують цінне пояснення дивної ефективності мозку. Пробудженні мозок дорослої людини генерує лише близько 20 Вт безперервної потужності так само, як при дуже тьмяному лампочки. Відкриття Солка може допомогти вченим побудувати комп’ютерні сверхточной, але енергозберігаючі, комп’ютери, особливо ті, які використовують “глибоке вивчення” і штучних нейронних мереж-методи, здатні складні навчання і аналізу, таких як мова, розпізнавання об’єктів і перекладу.
“Цей трюк мозку абсолютно вказує на спосіб розробки більш комп’ютерів”, – говорить Сейновскі. “Використання імовірнісного передачі виявляється настільки точні і вимагають набагато менше енергії для обох комп’ютерів і мізки”.
Іншими авторами роботи стали Кейлі Бромер з Інституту Солка; Джастін Кінні з Інституту досліджень мозку Макговерна, Майкл А. Чірілло і Дженніфер Н. Борн з Університету Техасу, Остін.
Робота виконана за підтримки Національного інституту здоров’я і Медичного інституту Говарда Хьюза.
