Masasčūsetsas Tehnoloģiju institūta jaunā modelis liecina, ka astrocīti, kas iepriekš tika uzskatīti par palīgšūnām, varētu spēlēt galveno lomu atmiņas uzglabāšanā, pārspējot neironus pēc ietilpības un efektivitātes.
Satura rādītājs
Dažreiz vispārsteidzošāko stāstu galvenie varoņi izrādās ne tie, kurus mēs gaidījām. Desmitgadēm ilgi neirobioloģija bija koncentrējusies gandrīz vienīgi uz neironiem: nervu sistēmas zvaigznēm, kas atbild par signālu nosūtīšanu un saņemšanu, domu veidošanu un atmiņu veidošanu. Bet smadzeņu fonā ir arī citas šūnas, daudz vairāk un līdz šim daudz mazāk pētītas .
Kas būtu, ja mūsu atmiņa būtu atkarīga ne tikai no neironu, bet arī no neredzamiem kompanjoniem? Tas izskaidrotu, kā veidojas atmiņas no bērnības — revolūcija . Pētnieki no MIT un IBM ir izvirzījuši provokatīvu ideju: astrocytes — gliālo šūnu tips, kas tradicionāli tiek uzskatīts par atbalstošu — varētu spēlēt galveno lomu atmiņas uzglabāšanā. Tas nav tikai neskaidrs intuīcijas uzplaiksnījums: tas ir sarežģīts matemātisks un bioloģisks modelis, kas norāda uz radikālu izmaiņu tajā, kā mēs saprotam prātu.
Astrocytes: visvairāk ignorētās smadzeņu šūnas
Astrocytes nav retums smadzenēs, bet ir visizplatītākais šūnu tips . Lai gan to klasiskā funkcija ir uzturēt ķīmisko līdzsvaru, attīrīt atkritumus un apgādāt neironus ar barības vielām un skābekli, jauni pētījumi liecina, ka tās dara daudz vairāk. Astrocitām ir izaugumi, kas var apņemt sinapses — savienojuma punktus starp neironiem — un veidot struktūras, ko sauc par trīskomponentu sinapsēm .
Viena astrocita var saskarties ar vairāk nekā miljonu sinapšu , veidojot plašu mijiedarbības tīklu, kas iepriekš tika uzskatīts par nefunkcionālu. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka astrocīti vienkārši pasīvi „klausās”. Tomēr nesenie pētījumi liecina, ka tie var atklāt neironu aktivitāti un reaģēt, izdalot gliotransmitterus — molekulas, kas tieši ietekmē signālu, kas tiek pārraidīts starp neironiem.
Pārsteidzoša hipotēze: atmiņas ārpus neironiem
Jauns pētījums, kas publicēts žurnālā Proceedings of the National Academy of Sciences , piedāvā aprēķinu modeli, kas balstīts uz šīm astrocitu funkcijām. Pēc autoru domām, atmiņas kapacitāte var daļēji atrasties astroglialo procesu tīklā , nevis tikai neironu sinapsēs, kā tika uzskatīts iepriekš.
Autori pieņem, ka astrocīti veic aprēķinus un ka šie aprēķini veidojas mainīgos iekšējos signālu ceļos . Šis apgalvojums nav nepamatota spekulācija: to atbalsta asociatīvās atmiņas matemātiskais modelis, kas iedvesmots no mākslīgajiem neironu tīkliem. Tas ir Hopfield tīklu paplašinājums, kas bija fundamentāls teorētiskajā neirozinātnē un mākslīgā intelekta attīstībā.
Jaunums slēpjas tajā, ka šis jaunais modelis integrē astrocītas kā aprēķinu vienības, kas spēj ievērojami palielināt tīkla uzglabāšanas kapacitāti. Tās to dara, pateicoties savai spējai pārvadīt kalciju iekšienē un vienlaikus mijiedarboties ar daudzām sinapsēm.
No mākslīgajiem tīkliem līdz cilvēka smadzenēm
Izstrādātā modeļa pieder pie klases, ko sauc par “blīvām asociatīvām atmiņām”. Šie tīkli pārvar tradicionālo Hopfield tīklu ierobežojumus, kas spēj uzglabāt tikai salīdzinoši nelielu skaitu šablonu. Tā vietā, iekļaujot astrocītas kā savstarpēji saistītus mezglus, MIT modelis demonstrē mērogojamu atmiņas kapacitātes pieaugumu: jo vairāk astrocītu, jo vairāk iespējamo atmiņu .
„Mūsu darbs parāda, ka neironu un astrocītu tīkli atbilst augstākam atmiņas mērogojamības likumam”, teikts rakstā. Tas nozīmē, ka katra jauna vienība ne tikai pievieno informāciju, bet arī palielina uzglabāšanas kapacitāti. Pētnieki apgalvo, ka šis uzlabojums notiek, pateicoties atmiņu uzglabāšanai astrocitu procesu iekšējā tīklā, nevis tikai sinaptiskajās saiknēs.
Citiem vārdiem sakot, astrocīti ne tikai pievieno apjomu, bet arī struktūru, kas spēj efektīvāk izvietot un izgūt smadzeņu aktivitātes modeļus. Šis atklājums nav pretrunā engrammu teorijai — idejai, ka atmiņas atrodas noteiktos neironu kopumos, kas tiek aktivizēti mācību laikā —, bet drīzāk to papildina.
Kāda loma astrocitām ir smadzeņu aprēķinos?
Šī apgalvojuma pamatā ir matemātiska koncepcija: enerģētiskā funkcija . Šajā modelī katra atmiņa ir saistīta ar „minimālo” enerģiju abstraktā telpā. Kad mēs aktivizējam daļu no šīs atmiņas, smadzeņu aktivitāte dabiski cenšas pabeigt šo modeli un mūs novest pie pilnīgas atmiņas. Tas ir veids, kā izskaidrot tādas parādības kā atpazīšana vai spontāna atcerēšanās.
Interesanti jaunajā modelī ir tas, ka tas ievieš četrpusējas mijiedarbības astrogliālo procesu tīklā, kas ļauj veikt daudz sarežģītāku un efektīvāku kodēšanu. Tenzora T klātbūtne, matemātiska struktūra, kas attēlo šīs saiknes, ir atslēga, lai saprastu, kā astrocitāti var veicināt mijiedarbību starp attāliem sinapsēm un tādējādi veicināt spēcīgākus atmiņas tīklus.
Turklāt autori paskaidro, ka simulācijās šī sistēma spēj labot kļūdas un pat papildināt daļēji izkropļotus attēlus vai skaņas. Citiem vārdiem sakot, tā ne tikai uzglabā vairāk datu, bet to dara arī uzticamāk un elastīgāk .
Ietekme uz neirozinātni un mākslīgo intelektu
Šis modelis tieši apstrīd vienu no neirozinātnes centrālajiem pieņēmumiem : ka sinapses starp neironiem ir vienīgais atmiņas substrāts. Ja apstiprināsies, ka astrocīti arī uzglabā informāciju, būs jāpārraksta ievērojama daļa neirobioloģijas mācību grāmatu.
Turklāt saikne starp šo modeli un progresīvākām AI sistēmām ir pārsteidzoša . Komanda pieņem, ka to arhitektūra var interpolēt starp blīvām asociatīvām atmiņām un uzmanības mehānismiem, piemēram, tiem, kas tiek izmantoti Transformers, tīklos, kuri baro tādas modeļus kā ChatGPT.
Tas paver negaidītas iespējas: labāka izpratne par astrocitāru lomu smadzenēs var palīdzēt mums izstrādāt labākus mākslīgā intelekta algoritmus . Un otrādi, bioloģiski iedvesmotas datoru modeļi var palīdzēt mums atklāt noslēpumus, kas joprojām slēpjas mūsu apziņā.
Kā pārbaudīt šo teoriju?
Nākamais solis, pēc autoru domām, ir eksperimentāls. Lai pārbaudītu modeļa pamatotību, būs jāmanipulē ar astrogliālo procesu iekšējām saiknēm un jānovēro, kā tas ietekmē atmiņu . Lai gan tehniski tas ir sarežģīti, ar mūsdienu molekulārās neirobioloģijas instrumentiem tas nav neiespējami.
Viņi arī ierosina pielāgot modeli reāliem fizioloģiskiem datiem, piemēram, ierobežojot saikni tikai ar blakus esošajiem astrogliāliem procesiem. Tas ļautu simulācijai maksimāli atbilst novērotajam smadzeņu darbībai un apstiprināt, vai astrocīti patiešām aktīvi piedalās atmiņas veidošanā.
“Mūsu modelis paredz, ka kalcija difūzijas apgrūtināšana caur astrocītiem ievērojami pasliktina atmiņas izvilkšanu,” skaidro autori. Ja nākamie eksperimenti apstiprinās šo hipotēzi, mēs kļūsim liecinieki revolūcijai mūsu izpratnē par smadzenēm.
