Stjärnformade hjärnceller kan underbygga hjärnans massiva minneslagring

I decennier trodde forskare att neuroner var hjärnans enda arkitekter för tankar och minne-men nu tyder ny forskning på att en annan, ofta förbisett typ av hjärncell kan spela en mer central roll i minnet än tidigare trott.
Studien, publicerad i maj i tidskriften PNAföreslår att dessa andra hjärnceller, kallade astrocyter, kan vara ansvariga för hjärnans imponerande minneslagringskapacitet genom en nyupptäckt typ av nätverksarkitektur.
Astrocyter är stjärnformade celler som utför många underhållsuppgifter i hjärnan, inklusive rensning av cellulärt skräp, förser neuroner med näringsämnen och reglerar blodflödet. De sportar också tunna grenstrukturer, kända som processer, som lindas runt de punkter där neuroner byter meddelanden. Detta inpackning bildar det som kallas en trepartsynapse, en slags trevägs handskakning som involverar de två anslutna neuronerna och astrocyten.
”Du kan föreställa dig en astrocyt som en bläckfisk med miljoner tentakler,” sade huvudförfattare Leo Kozachkovsom var doktorand vid MIT när studien genomfördes och är nu postdoktor vid IBM Research i Yorktown Heights, New York. ”Huvudet på bläckfisken är cellkroppen, och tentaklarna är” processer ”som lindar runt närliggande synapser,” sa Kozachkov till Live Science i ett e -postmeddelande.
Astrocyter överför inte elektriska impulser som neuroner gör. Istället kommunicerar de via kalciumsignalering och skickar vågor av laddade kalciumpartiklar inom och mellan celler. Studier har visat att astrocyter svarar på synaptisk aktivitet genom att förändra deras interna kalciumnivåer. Dessa förändringar kan sedan utlösa frisättningen av kemiska budbärare från astrocyten till synapsen.
”Dessa processer fungerar som små kalciumdatorer och avkänner när information skickas genom synapsen, överför den informationen till andra processer och sedan får feedback i gengäld,” sade Kozachkov. I slutändan kommer denna kedje -e -post tillbaka till neuronerna, som justerar sin aktivitet i sin tur. Men forskare förstår ännu inte helt de exakta beräkningsfunktionerna som astrocyter utför med den information de får från neuroner.
Släkt: Hjärnan lagrar minst 3 kopior av varje minne
För att bättre förstå denna funktion vände sig Kozachkov och hans kollegor till maskininlärningsarkitekturer som kan representera komplexa interaktioner mellan många aktörer, snarare än att fånga enkla kopplingar mellan par av enheter.
Traditionella maskininlärningsnätverk som bara länkar par av neuroner kan koda begränsad information, säger senior studieförfattare Dmitry Krotoven forskningsmedarbetare vid MIT-IBM Watson AI Lab och IBM -forskning. Eftersom en enda astrocyt kunde ansluta till tusentals synapser, ansåg teamet att astrocyter kan förmedla kommunikation över alla dessa anslutningar. Det kan förklara hur hjärnan uppnår sina enorma lagringsförmågor, föreslog de.
”Den unika anatomiska strukturen hos astrocyter ger ett mycket naturligt och frestande sätt att utforma dessa stora informationslagringssystem i biologisk hårdvara,” sa Kozachkov till Live Science i ett e -postmeddelande.
Forskarna antog också att astrocyter lagrar minnen genom gradvisa förändringar i deras interna kalciummönster och att dessa mönster sedan översätts tillbaka till signaler som skickas till neuroner i form av kemiska budbärare. I denna modell fungerar varje astrocytprocess, snarare än hela cellen, som en distinkt beräkningsenhet, föreslog teamet.
”Vår modell behöver inte många neuroner för att lagra många minnen,” sade Kozachkov. ”Detta är en betydande fördel ur ett energieffektivitetsperspektiv, eftersom neuroner är metaboliskt” dyra. ”
Modellen erbjuder en ”biologiskt jordad förklaring” för hur dessa minneslagringssystem kan fungera i hjärnan, sa Maurizio de Pittàen lektor vid Krembil Research Institute i Toronto, Kanada, som inte var involverad i arbetet. Förbi studier med högupplöst mikroskop har stött denna åsikt och visar att astrocytprocesser är vävda i hela hjärnan och tar kontakt med flera synapser.
De Pittà berättade emellertid Live Science i ett e -postmeddelande att ”modeller är kraftfulla verktyg, men de förblir tillnärmningar av den verkliga världen.” Han varnade också för att nuvarande tekniker ännu inte fullt ut kan fånga dynamiken som utvecklas i den mänskliga hjärnan i realtid, och den detaljnivån skulle behövas för att validera hypotesen.
Även om forskare börjar inse att astrocyter spelar en roll i hur vi bildar minnen, sa de Pittà, har vi fortfarande inte tydliga bevis på att de specifika, kalciumbaserade interaktionerna mellan dessa celler och hjärna faktiskt hjälper till att skapa, lagra eller återkalla minnen, som föreslagits av MIT-teamet. Men om teamets modell visar sig vara korrekt, kan konsekvenserna erbjuda ett nytt sätt att tänka på hjärnlagring, vilket tyder på att minneskapaciteten kan skala med antalet astrocyt-synapsinteraktioner som finns i hjärnan.
Modellen erbjuder också potentiella terapeutiska mål för neurodegenerativa sjukdomar, säger studieförfattarna.
”Astrocyter är kända för att vara inblandade i Alzheimers och andra minnesstörningar: Vår modell ger en beräkningsvy av vad som kan gå fel,” sade Kozachkov. ”Potentiellt kan vår matematiska modell inspirera sökningen efter nya terapeutiska mål: exakt modulering av astrocytprocessanslutning eller signalering kan återställa eller kompensera för förlorad minnesfunktion.”
Men mycket mer forskning skulle behövas för att detta arbete ska översättas till kliniska behandlingar.
Utöver neurovetenskap kan modellen peka på applikationer i konstgjorda intelligens. Modellen kan hjälpa forskare att skapa hjärnliknande hårdvarusystem, sade de Pittà. Sådana system kan använda täta minnesarkitekturer som gör det möjligt för dem att lagra enorma mängder information och återkalla det effektivt, med mycket lite energi, precis som våra hjärnor gör. Detta kan användas för ett brett utbud av applikationer, till exempel röstigenkänning; Robotik och autonoma system; AI -assistenter; eller hjärnmaskingränssnitt och ”Neuroprostetics.”