Мозг может хранить почти в 10 раз больше данных, чем считалось ранее’

Новое исследование подтверждает, что мозг может хранить почти в 10 раз больше информации, чем считалось ранее. Как и в случае с компьютерами, объем памяти мозга измеряется в «битах», а количество битов, которые он может хранить, зависит от связей между его нейронами, известных как синапсы. Исторически сложилось так, что учёные считали, что синапсы бывают довольно ограниченного размера и силы, а это, в свою очередь, ограничивает объём памяти мозга. Однако в последние годы эта теория была подвергнута сомнению — и новое исследование еще раз подтверждает идею о том, что мозг может удерживать примерно в 10 раз больше мыслей, чем когда-то думалось.    

В новом исследовании исследователи разработали высокоточный метод оценки силы связей между нейронами в части мозга крысы. Эти синапсы составляют основу обучения и памяти, поскольку клетки мозга общаются в этих точках и, таким образом, хранят и обмениваются информацией. 

Лучше поняв, как синапсы усиливаются и ослабляются и насколько, ученые более точно определили, сколько информации могут хранить эти соединения. Анализ, опубликованный в журнале Neural Computation, демонстрирует, как этот новый метод может не только улучшить наше понимание обучения, но также старения и болезней, которые разрушают связи в мозгу. 

В человеческом мозге между нейронами имеется более 100 триллионов синапсов. Через эти синапсы запускаются химические посланники, облегчающие передачу информации по мозгу. По мере того, как мы учимся, передача информации через определенные синапсы увеличивается. Такое «укрепление» синапсов позволяет нам сохранять новую информацию. В общем, синапсы усиливаются или ослабляются в зависимости от активности составляющих их нейронов — явление, называемое синаптической пластичностью. 

Однако по мере того, как мы стареем или развиваемся неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, наши синапсы становятся менее активными и, следовательно, ослабевают, снижая когнитивные функции и нашу способность хранить и извлекать воспоминания. 

Ученые могут измерить силу синапсов, глядя на их физические характеристики. Кроме того, сообщения, отправленные одним нейроном, иногда активируют пару синапсов, и ученые могут использовать эти пары для изучения точности синаптической пластичности. Другими словами, при одном и том же сообщении каждый синапс в паре усиливается или ослабляется одинаково? 

Измерение точности синаптической пластичности в прошлом оказалось трудным, как и измерение того, сколько информации может хранить тот или иной синапс. Новое исследование меняет ситуацию. 

Чтобы измерить силу и пластичность синапсов, команда использовала теорию информации — математический способ понять, как информация передается через систему. Этот подход также позволяет ученым количественно оценить, какой объем информации может передаваться через синапсы, принимая во внимание «фоновый шум» мозга. 

Эта передаваемая информация измеряется в битах, так что синапс с большим количеством битов может хранить больше информации, чем синапс с меньшим количеством битов, отметил соавтор исследования Терренс Сейновски. Один бит соответствует передаче синапсом двух уровней мощности, а два бита соответствуют четырем уровням и так далее.

Команда проанализировала пары синапсов из гиппокампа крысы — области мозга, которая играет важную роль в обучении и формировании памяти. Эти пары синапсов были соседями и активировались в ответ на один и тот же тип и количество сигналов мозга. Команда определила, что при одинаковых входных данных эти пары усиливались или ослаблялись одинаково, что позволяет предположить, что мозг очень точен при настройке силы данного синапса.

Анализ показал, что синапсы в гиппокампе могут хранить от 4,1 до 4,6 бит информации. Исследователи пришли к аналогичному выводу в более раннем исследовании мозга крыс, но тогда они обработали данные менее точным методом. Новое исследование помогает подтвердить то, что сейчас предполагают многие нейробиологи, — что синапсы несут гораздо больше, чем один бит каждый/.    

Результаты основаны на очень маленькой области гиппокампа крысы, поэтому неясно, как они будут масштабироваться на весь мозг крысы или человека. «Было бы интересно определить, как способность к хранению информации варьируется в зависимости от мозга и между видами», — сказал Ю. 

По словам Фокса, в будущем метод команды можно будет использовать для сравнения емкости памяти различных областей мозга. Его также можно использовать для изучения одной области мозга, когда она здорова и когда она находится в болезненном состоянии.