Přehlížené buňky by mohly vysvětlovat obrovskou paměťovou kapacitu lidského mozku

Lidský mozek obsahuje přibližně 86 miliard neuronů. Tyto buňky vysílají elektrické signály, které pomáhají mozku ukládat vzpomínky a posílat informace a příkazy po celém mozku a nervové soustavě.

Mozek také obsahuje miliardy astrocytů – hvězdicovitých buněk s mnoha dlouhými výběžky, které jim umožňují interagovat s miliony neuronů. Ačkoli se dlouho předpokládalo, že se jedná převážně o podpůrné buňky, nedávné studie naznačují, že astrocyty mohou hrát roli v ukládání paměti a dalších kognitivních funkcích.

Výzkumníci z MIT nyní předložili novou hypotézu o tom, jak by astrocyty mohly přispívat k ukládání paměti. Architektura navržená jejich modelem by pomohla vysvětlit obrovskou paměťovou kapacitu mozku, která je mnohem větší, než by se dalo očekávat pouze s využitím neuronů.

„Původně se věřilo, že astrocyty pouze čistí okolí neuronů, ale není žádný zvláštní důvod, proč by se evoluce nerozhodla, že protože každý astrocyt může kontaktovat stovky tisíc synapsí, mohly by se také používat pro výpočet,“ říká Jean-Jacques Slotine, profesor strojírenství a kognitivních věd na MIT a autor nové studie.

Dmitry Krotov, výzkumný pracovník v MIT-IBM Watson AI Lab a IBM Research, je hlavním autorem článku s otevřeným přístupem publikovaného 23. května v Proceedings of the National Academy of Sciences. Leo Kozachkov je hlavním autorem článku.

Paměťová kapacita

Astrocyty mají v mozku řadu podpůrných funkcí: Odstraňují nečistoty, dodávají neuronům živiny a pomáhají zajistit dostatečné zásobování krví.

Astrocyty také vysílají mnoho tenkých výběžků, známých jako procesy, které se mohou omotat kolem jedné synapse – spojení, kde interagují dva neurony – a vytvořit třístrannou (trojdílnou) synapsi.

V posledních několika letech neurovědci ukázali, že pokud jsou spojení mezi astrocyty a neurony v hipokampu narušena, ukládání a vybavování paměti je narušeno.

Na rozdíl od neuronů astrocyty nemohou vysílat akční potenciály, elektrické impulsy, které přenášejí informace po celém mozku. Mohou však používat vápníkovou signalizaci ke komunikaci s jinými astrocyty. V posledních několika desetiletích, jak se zlepšilo rozlišení vápníkového zobrazování, výzkumníci zjistili, že vápníková signalizace také umožňuje astrocytům koordinovat jejich aktivitu s neurony v synapsích, se kterými jsou spojeny.

Tyto studie naznačují, že astrocyty mohou detekovat neuronovou aktivitu, což vede k tomu, že mění svou vlastní hladinu vápníku. Tyto změny mohou spustit uvolňování gliotransmiterů – signálních molekul podobných neurotransmiterům – do synapse.

„Existuje uzavřený kruh mezi neuronovou signalizací a signalizací astrocyt-neuron,“ říká Kozachkov. „To, co je neznámé, je přesně to, jaký druh výpočtů astrocyty mohou provádět s informacemi, které snímají od neuronů.“

Tým z MIT se rozhodl modelovat, co by tato spojení mohla dělat a jak by mohla přispívat k ukládání paměti. Jejich model je založen na Hopfieldových sítích – typu neuronové sítě, která dokáže ukládat a vybavovat vzory.

Hopfieldovy sítě, původně vyvinuté Johnem Hopfieldem a Shun-Ichi Amari v 70. a 80. letech, se často používají k modelování mozku, ale ukázalo se, že tyto sítě nemohou ukládat dostatek informací, aby vysvětlily obrovskou paměťovou kapacitu lidského mozku. Novější, modifikovaná verze Hopfieldovy sítě, známá jako hustá asociativní paměť, může ukládat mnohem více informací prostřednictvím vyššího řádu spojení mezi více než dvěma neurony.

Není však jasné, jak by mozek mohl implementovat tato víceneuronová spojení v hypotetické synapsi, protože konvenční synapse spojují pouze dva neurony: presynaptickou buňku a postsynaptickou buňku. Zde vstupují do hry astrocyty.

„Pokud máte síť neuronů, které se párují, existuje pouze velmi malé množství informací, které můžete do těchto sítí zakódovat,“ říká Krotov. „Aby bylo možné vytvořit husté asociativní paměti, je nutné spárovat více než dva neurony. Protože jediný astrocyt se může spojit s mnoha neurony a mnoha synapsími, je lákavé předpokládat, že by mohl existovat přenos informací mezi synapsími zprostředkovaný touto biologickou buňkou. To byla naše největší inspirace, abychom se zaměřili na astrocyty a vedlo nás to k přemýšlení o tom, jak v biologii budovat husté asociativní paměti.“

Model asociativní paměti neuron-astrocyt, který výzkumníci vyvinuli ve své nové studii, může ukládat mnohem více informací než tradiční Hopfieldova síť – více než dost na to, aby to vysvětlovalo paměťovou kapacitu mozku.

Složité spojení

Rozsáhlá biologická spojení mezi neurony a astrocyty podporují myšlenku, že tento typ modelu by mohl vysvětlit, jak fungují systémy ukládání paměti v mozku, říkají výzkumníci. Předpokládají, že uvnitř astrocytů jsou vzpomínky zakódovány postupnými změnami v vzorcích toku vápníku. Tato informace je předávána neuronům pomocí gliotransmiterů uvolňovaných v synapsích, ke kterým se astrocytární procesy připojují.

„Pečlivou koordinací těchto dvou věcí – prostorově časového vzoru vápníku v buňce a následného signalizace zpět do neuronů – můžete získat přesně dynamiku, kterou potřebujete pro tuto masivně zvýšenou paměťovou kapacitu,“ říká Kozachkov.

Jednou z klíčových vlastností nového modelu je, že zachází s astrocyty jako se sbírkami procesů, spíše než s jedinou entitou. Každý z těchto procesů lze považovat za jednu výpočetní jednotku. Díky vysokým možnostem ukládání informací hustých asociativních pamětí je poměr množství uložených informací k počtu výpočetních jednotek velmi vysoký a roste s velikostí sítě. Díky tomu je systém nejen velkokapacitní, ale také energeticky úsporný.

„Konceptualizací třístranných synaptických domén – kde astrocyty dynamicky interagují s presynaptickými a postsynaptickými neurony – jako základních výpočetních jednotek mozku autoři tvrdí, že každá jednotka může ukládat tolik vzorů paměti, kolik je neuronů v síti. To vede k pozoruhodné implikaci, že v zásadě by síť neuron-astrocyt mohla ukládat libovolně velké množství vzorů, omezené pouze svou velikostí,“ říká Maurizio De Pitta, asistent profesor fyziologie na Krembil Research Institute na University of Toronto, který se na studii nepodílel.

Aby se ověřilo, zda by tento model mohl přesně reprezentovat to, jak mozek ukládá paměť, výzkumníci by se mohli pokusit vyvinout způsoby, jak přesně manipulovat s připojeními mezi procesy astrocytů, a poté sledovat, jak tyto manipulace ovlivňují funkci paměti.

„Doufáme, že jedním z důsledků této práce by mohlo být, že experimentátoři by tuto myšlenku brali vážně a provedli některé experimenty, které by tuto hypotézu testovaly,“ říká Krotov.

Kromě toho, že nabízí pohled na to, jak mozek může ukládat paměť, by tento model mohl také poskytnout vodítko pro výzkumníky pracující na umělé inteligenci. Změnou konektivity sítě proces-proces by výzkumníci mohli generovat širokou škálu modelů, které by se daly prozkoumat pro různé účely, například vytvoření kontinua mezi hustými asociativními paměťmi a mechanismy pozornosti ve velkých jazykových modelech.

„Zatímco neurověda původně inspirovala klíčové myšlenky v oblasti AI, výzkum neurovědy za posledních 50 let měl na toto pole jen malý vliv a mnoho moderních algoritmů AI se od neuronových analogií odklonilo,“ říká Slotine. „V tomto smyslu by tato práce mohla být jedním z prvních příspěvků do oblasti AI, který je inspirován nedávným výzkumem neurovědy.“