Sa svakim okretanjem kroz špil kartica sa rečničkim rečima, njihove definicije dolaze brže i lakše. Ovaj proces učenja i pamćenja novih informacija jača važne veze u vašem mozgu. Lakše podsećanje na te nove reči i definicije sa praksom je dokaz da te neuronske veze, nazvane sinapse, mogu vremenom da postanu jače ili slabije – karakteristika poznata kao sinaptička plastičnost.
Kvantifikovanje dinamike pojedinačnih sinapsi može biti izazov za neuronaučnike, ali nedavne računarske inovacije sa Instituta Salk to mogu promeniti – i usput otkriti nove uvide o mozgu.
Da bi razumeli kako mozak uči i zadržava informacije, naučnici pokušavaju da kvantifikuju koliko je sinapsa postala jača učenjem i koliko jača može postati. Sinaptička snaga se može meriti posmatranjem fizičkih karakteristika sinapsi, ali je mnogo teže izmeriti preciznost plastičnosti (da li sinapse postaju sve slabije ili jače za konzistentan iznos) i količinu informacija koju sinapsa može da uskladišti.
Naučnici Salka su uspostavili novu metodu za istraživanje sinaptičke snage, preciznosti plastičnosti i količine skladištenja informacija. Kvantifikovanje ove tri sinaptičke karakteristike može poboljšati naučno razumevanje kako ljudi uče i pamte, kao i kako ti procesi evoluiraju tokom vremena ili se pogoršavaju sa godinama ili bolešću. Nalazi su objavljeni u Neural Computation 23. aprila 2024.
„Postajemo sve bolji u identifikaciji tačno gde i kako su pojedinačni neuroni međusobno povezani, ali još uvek moramo mnogo da naučimo o dinamici tih veza“, kaže profesor Terens Sejnovski, stariji autor studije i nosilac studije. Francis Crick Chair u Salku.
„Sada smo kreirali tehniku za proučavanje snage sinapsi, preciznosti kojom neuroni moduliraju tu snagu i količinu informacija koje sinapse mogu da pohrane – što nas navodi da otkrijemo da naš mozak može da skladišti 10 puta više informacija nego što je to bio slučaj ranije. misao“.
Kada poruka putuje kroz mozak, ona skače od neurona do neurona, teče od kraja jednog neurona u ispružene vitice, zvane dendriti, drugog. Svaki dendrit na neuronu prekriven je sićušnim lukovičastim dodacima, koji se nazivaju dendritični bodlji, a na kraju svake dendritske bodlje je sinapsa – mali prostor gde se dve ćelije susreću i prenosi se elektrohemijski signal. Različite sinapse se aktiviraju za slanje različitih poruka.
Neke poruke aktiviraju parove sinapsi, koje žive jedna blizu druge na istom dendritu. Ovi parovi sinapsi su fantastično istraživačko sredstvo – ako dve sinapse imaju identičnu istoriju aktivacije, naučnici mogu da uporede snagu tih sinapsi da bi izveli zaključke o preciznosti plastičnosti.
Pošto je ista vrsta i količina informacija prošla kroz ove dve sinapse, da li su se svaka promenila u snazi za istu količinu? Ako je tako, njihova preciznost plastičnosti je visoka.
Tim Salka je primenio koncepte iz teorije informacija da analizira parove sinapsi iz hipokampusa pacova – dela mozga koji je uključen u učenje i pamćenje – za snagu, plastičnost i preciznost plastičnosti.
Teorija informacija je sofisticirani matematički način razumevanja obrade informacija kao ulaza koji putuje kroz bučni kanal i koji se rekonstruiše na drugom kraju.
Ono što je najvažnije, za razliku od metoda korišćenih u prošlosti, teorija informacija objašnjava buku mnogih moždanih signala i ćelija, pored toga što nudi diskretnu jedinicu informacija – malo – za merenje količine informacija uskladištenih u sinapsi.
„Podelili smo sinapse prema snazi, od kojih je bilo 24 moguće kategorije, a zatim uporedili posebne parove sinapsa da bismo utvrdili koliko je precizno modulisana snaga svake sinapse“, kaže Mohammad Samavat, prvi autor studije i postdoktorski istraživač u laboratoriji Sejnovski.
„Bili smo uzbuđeni što smo otkrili da su parovi imali vrlo slične veličine dendritičke kičme i sinaptičke snage, što znači da je mozak veoma precizan kada čini sinapse slabijim ili jačim tokom vremena.“
Osim što je primetio sličnosti u snazi sinapsi unutar ovih parova, što se prevodi u visok nivo preciznosti plastičnosti, tim je takođe izmerio količinu informacija koje se nalaze u svakoj od 24 kategorije snage. Uprkos razlikama u veličini svake dendritske kičme, svaka od 24 kategorije sinaptičke snage imala je sličnu količinu (između 4,1 i 4,6 bita) informacija.
U poređenju sa starijim tehnikama, ovaj novi pristup koji koristi teoriju informacija je (1) temeljniji, što čini 10 puta više informacija u mozgu nego što se pretpostavljalo, i (2) skalabilan, što znači da se može primeniti na različite i velike skupove podataka za prikupiti informacije o drugim sinapsama.
„Ova tehnika će biti ogromna pomoć za neuronaučnike“, kaže Kristen Haris, profesorka na Univerzitetu Teksas u Ostinu i autorka studije. „Ovaj detaljan uvid u sinaptičku snagu i plastičnost bi zaista mogao da pokrene istraživanje učenja i pamćenja, i možemo ga koristiti za istraživanje ovih procesa u svim različitim delovima ljudskog mozga, životinjskog mozga, mladog mozga i starog mozga.
Sejnovski kaže da će budući rad projekata poput Inicijative BRAIN Nacionalnog instituta za zdravlje, koji je uspostavio atlas ćelija ljudskog mozga u oktobru 2023, imati koristi od ovog novog alata.
Pored naučnika koji katalogizuju tipove moždanih ćelija i ponašanja, ova tehnika je uzbudljiva za one koji proučavaju kada skladištenje informacija krene po zlu — kao kod Alchajmerove bolesti.
U godinama koje dolaze, istraživači širom sveta mogli bi da koriste ovu tehniku kako bi došli do uzbudljivih otkrića o sposobnosti ljudskog mozga da uči nove veštine, pamti svakodnevne radnje i čuva informacije kratkoročno i dugoročno.
