Μάθετε πώς ο εγκέφαλος δημιουργεί νέες αναμνήσεις, διατηρώντας τις παλιές

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο μαθηματικό μοντέλο που βοηθά να εξηγηθεί πώς η βιολογική πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου του επιτρέπει να αφήνει νέες αναμνήσεις χωρίς να εξαφανίζει τις παλιές.

Οι διαδικασίες του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι τόσο περίπλοκες που οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μαθηματικά μοντέλα για να τα κατανοήσουν πλήρως. (Πηγή: Pixabay)

Μια νέα μελέτη δείχνει πώς ο εγκέφαλός μας δημιουργεί νέες αναμνήσεις, χωρίς να διαγράφει τις παλαιότερες.

Οι επιστήμονες της Κολούμπια ανέπτυξαν ένα νέο μαθηματικό μοντέλο που εξηγεί πώς η βιολογική πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου του επιτρέπει να αφήνει νέες αναμνήσεις χωρίς να εξαφανίζει τις παλιές, απεικονίζοντας πώς ο εγκέφαλος διατηρεί την πιστότητα των αναμνήσεων για χρόνια, δεκαετίες ή ακόμα και μια ζωή.

αγοράστε νάνος που κλαίει κερασιά

Αυτό το μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες να σχεδιάσουν πιο στοχευμένες μελέτες για τη μνήμη και επίσης να προωθήσει την πρόοδο σε νευρομορφικό υλικό, ισχυρά υπολογιστικά συστήματα εμπνευσμένα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Ο εγκέφαλος λαμβάνει, οργανώνει και αποθηκεύει συνεχώς αναμνήσεις. Αυτές οι διαδικασίες, οι οποίες έχουν μελετηθεί σε αμέτρητα πειράματα, είναι τόσο περίπλοκες που οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μαθηματικά μοντέλα για να τις κατανοήσουν πλήρως, δήλωσε ο Stefano Fusi, ανώτερος συγγραφέας της εργασίας. Το μοντέλο που αναπτύξαμε τελικά εξηγεί γιατί η βιολογία και η χημεία που κρύβονται πίσω από τη μνήμη είναι τόσο περίπλοκα και πώς αυτή η πολυπλοκότητα οδηγεί την ικανότητα του εγκεφάλου να θυμάται.

Οι μνήμες πιστεύεται ευρέως ότι αποθηκεύονται σε συνάψεις, μικροσκοπικές δομές στην επιφάνεια των νευρώνων. Αυτές οι συνάψεις λειτουργούν ως αγωγοί, μεταδίδοντας τις πληροφορίες που βρίσκονται μέσα σε ηλεκτρικούς παλμούς που συνήθως περνούν από νευρώνα σε νευρώνα. Στα παλαιότερα μοντέλα μνήμης, η ισχύς των ηλεκτρικών σημάτων που περνούσαν μέσα από τις συνάψεις συγκρίθηκε με ένα κουμπί έντασης ήχου σε ένα στερεοφωνικό. τηλεφώνησε για να ενισχύσει (ή να μειώσει για να μειώσει) την ισχύ σύνδεσης μεταξύ των νευρώνων. Αυτό επέτρεψε το σχηματισμό αναμνήσεων.

Αυτά τα μοντέλα λειτούργησαν εξαιρετικά καλά, καθώς αντιστοιχούσαν σε τεράστια χωρητικότητα μνήμης. Έθεσαν όμως και ένα ενδιαφέρον δίλημμα.

Το πρόβλημα με ένα απλό μοντέλο που μοιάζει με καντράν για το πώς λειτουργούν οι συνάψεις ήταν ότι υποτίθεται ότι η δύναμή τους θα μπορούσε να κληθεί προς τα πάνω ή προς τα κάτω επ' αόριστον, είπε ο Δρ Φούσι, προσθέτοντας, αλλά στον πραγματικό κόσμο αυτό δεν μπορεί να συμβεί. Είτε πρόκειται για το κουμπί έντασης ήχου σε ένα στερεοφωνικό, είτε για οποιοδήποτε βιολογικό σύστημα, πρέπει να υπάρχει ένα φυσικό όριο στο πόσο θα μπορούσε να γυρίσει.

Όταν επιβλήθηκαν αυτά τα όρια, η χωρητικότητα μνήμης αυτών των μοντέλων κατέρρευσε.

Έτσι, ο Δρ Φούσι, σε συνεργασία με τον συνάδελφο ερευνητή του Ινστιτούτου Ζούκερμαν, Λάρι Άμποτ, πρόσφερε μια εναλλακτική λύση που κάθε σύναψη είναι πιο περίπλοκη από ένα μόνο καντράν, και αντ' αυτού θα πρέπει να περιγραφεί ως ένα σύστημα με πολλαπλούς επιλογείς.

Το 2005, οι Δρ Fusi και Abbott δημοσίευσαν έρευνα που εξηγούσε αυτή την ιδέα. Περιέγραψαν πώς διαφορετικοί επιλογείς μέσα σε μια σύναψη θα μπορούσαν να λειτουργήσουν παράλληλα για να σχηματίσουν νέες μνήμες προστατεύοντας τις παλιές. Αλλά ακόμη και αυτό το μοντέλο, συνειδητοποίησαν οι συγγραφείς αργότερα, δεν είχε αυτό που πίστευαν ότι μπορούσε να χωρέσει ο εγκέφαλος, ιδιαίτερα ο ανθρώπινος εγκέφαλος.

Μωυσής σε λίκνο φυτό

Συνειδητοποιήσαμε ότι τα διάφορα συναπτικά στοιχεία, ή καντράν, όχι μόνο λειτουργούσαν σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, αλλά πιθανότατα επικοινωνούσαν μεταξύ τους, είπε ο Marcus Benna, ο πρώτος συγγραφέας της σημερινής εργασίας Nature Neuroscience. Μόλις προσθέσαμε την επικοινωνία μεταξύ των στοιχείων στο μοντέλο μας, η χωρητικότητα αποθήκευσης αυξήθηκε κατά έναν τεράστιο παράγοντα, καθιστώντας πολύ πιο αντιπροσωπευτική του τι επιτυγχάνεται μέσα στον ζωντανό εγκέφαλο.

Δείτε τι άλλο κάνει νέα.

Ο Δρ Benna παρομοίασε τα εξαρτήματα αυτού του νέου μοντέλου με ένα σύστημα ποτηριών που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας σειράς σωλήνων.

Σε ένα σύνολο διασυνδεδεμένων ποτηριών, το καθένα γεμάτο με διαφορετικές ποσότητες νερού, το υγρό θα τείνει να ρέει μεταξύ τους έτσι ώστε τα επίπεδα του νερού να εξισώνονται. Στο μοντέλο μας, τα ποτήρια ζέσεως αντιπροσωπεύουν τα διάφορα συστατικά μέσα σε μια σύναψη, εξήγησε ο Δρ Μπένα. Η προσθήκη υγρού σε ένα από τα ποτήρια ζέσεως ή η αφαίρεση μέρους αυτού αντιπροσωπεύει την κωδικοποίηση νέων αναμνήσεων. Με την πάροδο του χρόνου, η προκύπτουσα ροή υγρού θα διαχέεται στα άλλα ποτήρια ζέσεως, που αντιστοιχεί στη μακροπρόθεσμη αποθήκευση των αναμνήσεων.

Και οι δύο ερευνητές ελπίζουν ότι αυτή η εργασία μπορεί να βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες στο εργαστήριο, λειτουργώντας ως θεωρητικό πλαίσιο για να καθοδηγήσει μελλοντικά πειράματα, οδηγώντας τελικά σε έναν πληρέστερο και πιο λεπτομερή χαρακτηρισμό του εγκεφάλου.

πράσινη και μαύρη ριγέ κάμπια με κίτρινες κηλίδες

Αν και η συναπτική βάση της μνήμης είναι καλά αποδεκτή, εν μέρει λόγω του έργου του νομπελίστα και συνδιευθυντή του Ινστιτούτου Zuckerman, Δρ Έρικ Καντέλ, η διευκρίνιση του τρόπου με τον οποίο οι συνάψεις υποστηρίζουν τις μνήμες για πολλά χρόνια χωρίς υποβάθμιση ήταν εξαιρετικά δύσκολη, είπε ο Δρ Άμποτ. Οι Δρ Benna και Fusi θα πρέπει να χρησιμεύσουν ως οδηγός για τους ερευνητές που εξερευνούν τη μοριακή πολυπλοκότητα της σύναψης.

μικρά μαύρα ζωύφια που μοιάζουν με σκαθάρια

Οι τεχνολογικές επιπτώσεις αυτού του μοντέλου είναι επίσης ελπιδοφόρες. Ο Δρ Φούσι ενδιαφέρεται εδώ και πολύ καιρό από το νευρομορφικό υλικό, τους υπολογιστές που έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται έναν βιολογικό εγκέφαλο.

Σήμερα, το νευρομορφικό υλικό περιορίζεται από τη χωρητικότητα μνήμης, η οποία μπορεί να είναι καταστροφικά χαμηλή όταν αυτά τα συστήματα έχουν σχεδιαστεί για να μαθαίνουν αυτόνομα, είπε ο Δρ Fusi Η δημιουργία ενός καλύτερου μοντέλου συναπτικής μνήμης θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του προβλήματος, επιταχύνοντας την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών που συμπαγές και ενεργειακά αποδοτικό και εξίσου ισχυρό με τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Αυτή η εργασία με τίτλο, Υπολογιστικές αρχές ενοποίησης συναπτικής μνήμης δημοσιεύεται στο διαδίκτυο στο Nature Neuroscience.

Το παραπάνω άρθρο είναι μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς και δεν προορίζεται να υποκαταστήσει την επαγγελματική ιατρική συμβουλή. Πάντα να αναζητάτε την καθοδήγηση του γιατρού σας ή άλλου ειδικευμένου επαγγελματία υγείας για οποιεσδήποτε ερωτήσεις μπορεί να έχετε σχετικά με την υγεία σας ή μια ιατρική πάθηση.