Massachusettsin teknillisen instituutin uusi malli olettaa, että aiemmin apusoluiksi katsotut astrosyytit voivat olla avainasemassa muistin tallentamisessa ja ylittää neuronit kapasiteetiltaan ja tehokkuudeltaan.
Sisällysluettelo
Joskus kaikkein hämmästyttävimpien tarinoiden päähenkilöt eivät olekaan niitä, joita odotimme. Vuosikymmenien ajan neurobiologia on keskittynyt lähes yksinomaan neuroneihin: hermoston tähtiin, jotka vastaavat signaalien lähettämisestä ja vastaanottamisesta, ajatusten rakentamisesta ja muistojen muodostumisesta. Mutta aivojen taustalla on myös muita soluja, jotka ovat paljon lukuisampia ja toistaiseksi paljon vähemmän tutkittuja .
Entä jos muistimme ei riippuisi vain hermosoluista, vaan myös näkymättömistä kumppaneista? Se selittäisi, miten lapsuuden muistot muodostuvat – se olisi vallankumous . MIT:n ja IBM:n tutkijat ovat esittäneet provosoivan ajatuksen: astrocytit – tyypillisesti tukea antaviksi katsotut glia-solut – voivat olla avainasemassa muistin tallentamisessa. Kyse ei ole vain hämärästä intuitiosta: se on monimutkainen matemaattinen ja biologinen malli, joka viittaa radikaaliin muutokseen siinä, miten ymmärrämme mielen.
Astrocyt: aivojen eniten sivuutetut solut
Astrocyt eivät ole harvinaisia aivoissa, vaan ne ovat yleisin solutyyppi . Vaikka niiden klassinen tehtävä on ylläpitää kemiallista tasapainoa, puhdistaa jätteitä ja toimittaa ravinteita ja happea hermosoluihin, uudet tutkimukset ovat osoittaneet, että ne tekevät paljon enemmän. Astrocytilla on haarakkeita, jotka voivat kietoutua synapsien – neuronien välisten liitoskohtien – ympärille ja muodostaa rakenteita, joita kutsutaan kolmikomponenttisiksi synapseiksi .
Yksi astrocytti voi olla yhteydessä yli miljoonaan synapsiin , muodostaen laajan vuorovaikutusverkoston, jota aiemmin pidettiin toimimattomana. Pitkään ajateltiin, että astrosyytit vain passiivisesti ”kuuntelevat”. Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että ne voivat havaita hermosolujen toimintaa ja reagoida vapauttamalla gliotransmittereitä – molekyylejä, jotka vaikuttavat suoraan hermosolujen väliseen signaalinsiirtoon.
(A) Yksinkertaistettu kaavio astrosyytistä ja sen synaptisista yhteyksistä. (B) Matemaattinen malli, joka kuvaa sen toimintaa neuronien minirenkaana. Lähde: PNAS
Kumouksellinen hypoteesi: muistot neuronien ulkopuolella
Uusi tutkimus, joka on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä, esittää laskennallisen mallin, joka perustuu astrosyyttien näihin toimintoihin. Kirjoittajien mukaan muistikapasiteetti voi osittain sijaita astrosyyttien prosessien verkostossa eikä vain hermosolujen synapseissa, kuten aiemmin on ajateltu.
Kirjoittajat olettavat, että astrosyytit laskevat ja että nämä laskelmat muodostuvat muuttuvien sisäisten signaalireittien avulla . Tämä väite ei ole perusteetonta spekulaatiota: sitä tukee matemaattinen malli assosiatiivisesta muistista, joka on saanut inspiraationsa keinotekoisista hermoverkostoista. Kyseessä on laajennus Hopfieldin verkostoihin, jotka ovat olleet perustavanlaatuisia teoreettisessa neurotieteessä ja tekoälyn kehityksessä.
Uutuus piilee siinä, että tämä uusi malli integroi astrosyytit laskentayksiköiksi, jotka voivat merkittävästi lisätä verkon tallennuskapasiteettia. Ne tekevät tämän kykynsä ansiosta siirtää kalsiumia sisään ja vuorovaikuttaa monien synapsien kanssa samanaikaisesti.
Keinotekoisista verkoista ihmisen aivoihin
Kehitetty malli kuuluu luokkaan, jota kutsutaan ”tiheiksi assosiatiiviseksi muistoiksi”. Nämä verkot ylittävät perinteisten Hopfield-verkkojen rajoitukset, jotka tallentavat vain suhteellisen pienen määrän malleja. Sen sijaan, sisällyttämällä astrosyytit toisiinsa liittyviksi solmuiksi, MIT:n malli osoittaa muistikapasiteetin skaalautuvan: mitä enemmän astrosyyttejä, sitä enemmän mahdollisia muistoja .
”Työmme osoittaa, että neuronien ja astrosyyttien verkostot noudattavat korkeampaa muistikapasiteetin skaalautumislakia ”, artikkelissa todetaan. Tämä tarkoittaa, että jokainen uusi yksikkö ei vain lisää tietoa, vaan myös moninkertaistaa tallennuskapasiteetin. Tutkijat väittävät, että tämä parannus tapahtuu muistojen tallentamisen ansiosta astrosyyttien sisäisessä prosessiverkostossa, eikä vain synaptisissa yhteyksissä.
Toisin sanoen, astrosyytit tuovat mukanaan paitsi tilavuutta myös rakenteen, joka pystyy sijoittamaan ja hakemaan aivojen aktiivisuuden malleja tehokkaammin. Tämä löytö ei ole ristiriidassa engrammien teorian kanssa – ajatuksen kanssa, että muistot sijaitsevat tietyissä neuronien joukoissa, jotka aktivoituvat oppimisen aikana – vaan pikemminkin täydentää sitä.
Mikä rooli astrosyytteillä on aivojen laskennassa?
Tämän ehdotuksen ytimessä on matemaattinen käsite: energian funktio . Tässä mallissa jokainen muisto liittyy ”minimiin” energiaan abstraktissa tilassa. Kun aktivoimme osan tästä muistosta, aivojen toiminta pyrkii luonnollisesti täydentämään mallin ja johtamaan meidät täydelliseen muistoihin. Tämä on tapa selittää ilmiöitä, kuten tunnistaminen tai spontaani muistaminen.
Uudessa mallissa mielenkiintoista on se, että se tuo nelisuuntaiset vuorovaikutukset astrosyyttien prosessien verkostoon, mikä mahdollistaa paljon monimutkaisemman ja tehokkaamman koodauksen. Tensorin T, matemaattisen rakenteen, joka edustaa näitä yhteyksiä, olemassaolo on avain ymmärtämään, kuinka astrosyytit voivat edistää kaukaisten synapsien välistä vuorovaikutusta ja siten tehokkaampia muistiverkostoja.
Lisäksi kirjoittajat selittävät, että simulaatioissa tämä järjestelmä pystyy korjaamaan virheitä ja jopa täydentämään osittain vääristyneitä kuvia tai ääniä. Toisin sanoen, se ei vain tallenna enemmän tietoa, vaan tekee sen myös luotettavammalla ja joustavammalla tavalla .
Vaikutukset neurotieteeseen ja tekoälyyn
Tämä malli haastaa suoraan yhden neurotieteen keskeisistä oletuksista : että synapsit neuronien välillä ovat ainoa muistin substraatti. Jos osoittautuu, että astrosyytit myös tallentavat tietoa, merkittävä osa neurobiologian oppikirjoista on kirjoitettava uusiksi.
Lisäksi yhteydet tämän mallin ja kehittyneempien tekoälyjärjestelmien välillä ovat hämmästyttäviä . Tiimi olettaa, että niiden arkkitehtuuri voi interpoloida tiheiden assosiatiivisten muistojen ja huomion mekanismien välillä, kuten niitä, joita käytetään Transformer-verkostoissa, jotka ruokkivat ChatGPT:n kaltaisia malleja.
Tämä avaa odottamattoman mahdollisuuden: parempi ymmärrys astrosyyttien roolista aivoissa voi auttaa meitä luomaan parempia tekoälyalgoritmeja . Ja päinvastoin, biologisesti inspiroidut tietokonemallit voivat auttaa meitä paljastamaan salaisuudet, jotka ovat vielä piilossa mielessämme.
Kuinka tätä teoriaa voidaan testata?
Seuraava askel on kirjoittajien mukaan kokeellinen. Mallin perusteltavuuden testaamiseksi on manipuloitava astrosyyttien prosessien sisäisiä yhteyksiä ja tarkasteltava, miten tämä vaikuttaa muistiin . Vaikka tämä on teknisesti haastavaa, se ei ole mahdotonta nykyaikaisten molekyylisen neurobiologian välineiden avulla.
He ehdottavat myös mallin mukauttamista todellisiin fysiologisiin tietoihin, esimerkiksi rajoittamalla yhteydet vain läheisiin astrosyyttiprosesseihin. Tämä mahdollistaisi simulaation vastaavuuden havainnoituun aivojen toimintaan ja vahvistaisi, osallistuvatko astrosyytit aktiivisesti muistin muodostumiseen.
”Mallimme ennustaa, että kalsiumin diffuusion vaikeutuminen astrosyyttien läpi heikentää merkittävästi muistin palautumista”, selittävät kirjoittajat. Jos tulevat kokeet vahvistavat tämän hypoteesin, olemme todistamassa vallankumousta aivojen ymmärtämisessä.
