Новое исследование подтверждает, что мозг может хранить почти в 10 раз больше информации, чем считалось ранее.
Как и в случае с компьютерами, объём памяти мозга измеряется в «битах», а количество битов, которые он может хранить, зависит от связей между его нейронами, известных как синапсы. Исторически так сложилось, что учёные считали, что синапсы бывают довольно ограниченного размера и силы, а это, в свою очередь, ограничивает объём памяти мозга. Однако в последние годы эта теория была подвергнута сомнению — и новое исследование в очередной раз подтверждает идею о том, что мозг может удерживать примерно в 10 раз больше информации, чем считалось ранее.
В новом исследовании учёные разработали высокоточный метод оценки силы связей между нейронами в части мозга крысы. Эти синапсы составляют основу обучения и памяти, поскольку клетки мозга общаются в этих точках и, таким образом, хранят и обмениваются информацией.
Лучше поняв, как синапсы усиливаются и ослабляются и насколько, учёные более точно определили, сколько информации могут хранить эти соединения. Анализ, опубликованный 23 апреля в журнале Neural Computation, демонстрирует, как этот новый метод может не только улучшить наше понимание обучения, но также старения и болезней, которые разрушают связи в нашем мозге.
«Эти подходы лежат в основе способности нейронных цепей обрабатывать информацию, — рассказал Live Science по электронной почте Джай Ю (Jai Yu), доцент кафедры нейрофизиологии Чикагского университета, который не участвовал в исследовании. — Возможность оценить, сколько информации потенциально может быть представлено, является важным шагом на пути к пониманию способности мозга выполнять сложные вычисления.»
В человеческом мозге существует более 100 триллионов синапсов между нейронами. Через эти синапсы передаются химические мессенджеры, обеспечивая передачу информации по всему мозгу. По мере того как мы учимся, передача информации через определённые синапсы увеличивается. Это «усиление» синапсов позволяет нам сохранять новую информацию. В общем, синапсы усиливаются или ослабевают в зависимости от того, насколько активны их составляющие нейроны, — это явление называется синаптической пластичностью.
Однако с возрастом или при развитии неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, наши синапсы становятся менее активными и, таким образом, ослабевают, что снижает когнитивные способности и нашу способность сохранять и извлекать воспоминания.
Учёные могут измерять силу синапсов, изучая их физические характеристики. Кроме того, сообщения, отправленные одним нейроном, иногда активируют пару синапсов, и учёные могут использовать эти пары для изучения точности синаптической пластичности. Другими словами, одинаково ли усиливается или ослабляется каждый синапс в паре при одном и том же сообщении?
Измерение точности синаптической пластичности в прошлом оказалось трудным, как и измерение того, сколько информации может хранить тот или иной синапс. Новое исследование меняет ситуацию.
Для измерения силы и пластичности синапсов команда использовала теорию информации, математический метод понимания того, как информация передаётся через систему. Этот подход также позволяет учёным количественно оценить, сколько информации может передаваться через синапсы, принимая во внимание «фоновый шум» мозга.
Эта передаваемая информация измеряется в битах, так что синапс с большим количеством битов может хранить больше информации, чем синапс с меньшим количеством битов, сообщил Live Science в электронном письме Терренс Сейновски (Terrence Sejnowski), соавтор и соруководитель исследования, заведующий Лабораторией вычислительной нейробиологии в Институте биологических исследований Солка. Один бит соответствует передаче синапсом двух уровней мощности, а два бита соответствуют четырём уровням и так далее.
Команда проанализировала пары синапсов из гиппокампа крысы — области мозга, которая играет важную роль в обучении и формировании памяти. Эти пары синапсов были соседями и активировались в ответ на один и тот же тип и количество сигналов мозга. Команда определила, что при одинаковых входных данных эти пары усиливались или ослаблялись одинаково, что позволяет предположить, что мозг очень точно регулирует силу данного синапса.
Анализ показал, что синапсы в гиппокампе могут хранить от 4,1 до 4,6 бит информации. Исследователи пришли к аналогичному выводу в более раннем исследовании мозга крыс, но тогда они обработали данные менее точным методом. Новое исследование помогает подтвердить то, что сейчас предполагают многие нейробиологи: каждый из синапсов несёт гораздо больше одного бита, рассказал Кевин Фокс (Kevin Fox), профессор нейробиологии Кардиффского университета в Великобритании, который не участвовал в исследовании.
Результаты основаны на очень небольшом участке гиппокампа крысы, поэтому неясно, как они будут масштабироваться на мозг крысы или человека целиком.
«Было бы интересно определить, как способность к хранению информации варьируется в зависимости от мозга и между видами», — сказал Ю.
По словам Фокса, в будущем метод команды можно будет использовать для сравнения ёмкости памяти различных областей мозга. Его также можно использовать для изучения одной области мозга, когда она здорова и когда она находится в болезненном состоянии.
