Наши воспоминания и мысли возникают из сложных закономерностей электрической и химической активности мозга. Центральное место в этой деятельности занимают синапсы — места соединения ветвей нейронов, подобные электрическим проводам. Здесь аксон одного нейрона соединяется с дендритом другого. В этих синапсах нейротрансмиттеры переносят сигналы через щель, приказывая принимающему нейрону передать электрический сигнал другим. Примечательно, что каждый нейрон может образовывать тысячи таких связей.
Подобно компьютерам, мы измеряем объем памяти мозга в «битах», и количество битов, которые он может хранить, зависит от количества и силы его синапсов. Стоит отметить, что мозг аналоговый — просто чтобы вы не поняли неправильно. Мозг обрабатывает все параллельно, в непрерывном времени, а не в дискретных интервалах, поэтому «бит» (наименьшая единица цифровых данных) в данном случае не является идеальной аналогией того, как информация хранится в биологической системе. Тем не менее, он служит цели оценки обработки информации.
Раньше считалось, что синапсы бывают очень ограниченного размера и силы. Однако недавние исследования говорят об обратном. Согласно новому исследованию, способность человеческого мозга хранить информацию почти в десять раз выше, чем предполагалось ранее. Результаты опубликованы в журнале Neural Computation.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Института Солка разработала высокоточный метод оценки силы синапсов в мозгу крысы. Эти синапсы, где клетки мозга обмениваются информацией и хранят информацию, играют решающую роль в обучении и памяти. Понимая, как синапсы усиливаются и ослабляются, ученые точно определили емкость хранения информации в этих соединениях.
В человеческом мозге между нейронами существует более 100 триллионов синапсов. Эти синапсы облегчают передачу информации через мозг, запуская химические посланники. По мере того, как мы учимся, определенные синапсы укрепляются, что позволяет нам сохранять новую информацию. Этот процесс, известный как синаптическая пластичность, необходим для формирования памяти и когнитивных функций.
Когда нейроны разговаривают, они делают это с разной громкостью: одни нейроны шепчут друг другу, а другие кричат. Настройка «объема» синапса или синаптической силы не статична, а может меняться как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Синаптическая пластичность относится к этим изменениям синаптической силы.
Однако старение и неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, могут ослабить синапсы, снижая наши когнитивные способности. Вот почему подобные исследования важны — они могут помочь ученым открыть новые методы лечения, которые могут предотвратить или даже вылечить нейродегенеративные заболевания, от которых в настоящее время страдают миллионы пациентов по всему миру. Однако измерение силы синапсов традиционно было сложной задачей.
Команда проанализировала пары синапсов из гиппокампа крысы, области мозга, жизненно важной для обучения и памяти. Метод нового исследования использует теорию информации, которая позволяет ученым количественно оценить, сколько информации синапсы могут хранить и передавать. Это означает, что к мозгу была применена система, обычно предназначенная для компьютеров, чтобы оценить количество битов, которые могут хранить синапсы. Они обнаружили, что эти пары синапсов реагировали на один и тот же тип и количество сигналов мозга, выполняя регулировку синаптической силы.
В конечном итоге этот анализ показал, что синапсы гиппокампа могут хранить от 4,1 до 4,6 бит информации. Ученые думали, что каждый синапс может содержать один бит. В целом это означает, что человеческий мозг может хранить в десять раз больше информации, чем считалось ранее, или, по крайней мере, в петабайт — это целых 500 миллиардов DVD-дисков или всех фильмов, когда-либо снятых в высоком разрешении.
Хотя исследование сосредоточено на небольшой части мозга крыс, будущие исследования могут выяснить, как емкость хранения информации варьируется в зависимости от разных областей мозга и видов. Этот метод также позволяет сравнивать здоровые и больные состояния мозга, позволяя лучше понять состояния, влияющие на когнитивные функции.
В 2016 году исследователи Солка пришли к таким же выводам. Новые результаты служат подтверждением этой первоначальной оценки. Тогда исследователи сделали еще одно важное открытие: существует по меньшей мере 26 категорий размеров синапсов, а не несколько.
Эти результаты также дают представление о поразительной эффективности мозга. Несмотря на свою сложность, бодрствующий мозг взрослого человека потребляет всего около 20 Вт непрерывной энергии, что сравнимо с очень тусклой лампочкой. Эти открытия могут вдохновить ученых-компьютерщиков на разработку высокоточных, но энергоэффективных компьютеров. Эти инновации могут особенно принести пользу «глубокому обучению» и искусственным нейронным сетям, расширяя их возможности в таких областях, как распознавание речи, идентификация объектов и языковой перевод.