Оновлення пам'яті мозку: кількісна оцінка того, скільки інформації можуть зберігати наші синапси

З кожним переворотом, який ви робите з колодою словникових карток, їх визначення запам'ятовується швидше, легше. Цей процес навчання та запам'ятовування нової інформації зміцнює важливі зв'язки у вашому мозку. Легше згадування цих нових слів та визначень в практиці свідчить про те, що ці нейронні зв'язки, які називаються синапсами, можуть з часом зміцнюватися або слабшати — особливість мозку, відома як синаптична пластичність.

Кількісна оцінка динаміки окремих синапсів може бути проблемою для нейробіологів, але останні обчислювальні інновації від Інституту Солка можуть змінити це — і розкрити нові уявлення про мозок на цьому шляху.

Щоб зрозуміти, як мозок засвоює та зберігає інформацію, вчені намагаються кількісно визначити, наскільки сильнішим став синапс завдяки навчанню, і наскільки сильнішим він може стати. Синаптичну силу можна виміряти, дивлячись на фізичні характеристики синапсів, але набагато складніше виміряти точність пластичності (незалежно від того, слабшають синапси або зміцнюються на постійну кількість) та кількість інформації, яку може зберігати синапс.

Вчені створили новий метод дослідження сили синапсів, точності пластичності та обсягу зберігання інформації. Кількісна оцінка цих трьох синаптичних особливостей може покращити наукове розуміння того, як люди вчаться і запам'ятовують, а також як ці процеси розвиваються з часом або погіршуються з віком або хворобою. Висновки були опубліковані в Neural Computation 23 квітня 2024 року.

Перегляньте записи заходів, що відбулись в межах проєкту Neurology Thursday 

«Ми стаємо кращими в тому, щоб визначити, де саме і як окремі нейрони пов'язані один з одним, але нам ще потрібно багато чого дізнатися про динаміку цих зв'язків», - каже професор Терренс Сейновскі, старший автор дослідження і власник кафедри Френсіса Крика в Солку.

«Тепер ми створили техніку для вивчення сили синапсів, точності, з якою нейрони модулюють цю силу, і кількості інформації, яку синапси здатні зберігати, що змушує нас виявити, що наш мозок може зберігати в 10 разів більше інформації, ніж ми думали раніше».

Коли повідомлення проходить через мозок, воно перестрибує від нейрона до нейрона, протікаючи з кінця одного нейрона в витягнуті вусики, які називаються дендритами, іншого. Кожен дендрит на нейроні покритий крихітними цибулинними придатками, які називаються дендритними шипами, і в кінці кожного дендритного хребта знаходиться синапс — крихітний простір, де дві клітини зустрічаються, і передається електрохімічний сигнал. Для надсилання різних повідомлень активуються різні синапси.

Деякі повідомлення активують пари синапсів, які живуть поруч один з одним на одному дендриті. Ці пари синапсів є фантастичним дослідницьким інструментом — якщо два синапси мають ідентичні історії активації, вчені можуть порівняти силу цих синапсів, щоб зробити висновки про точність пластичності.

Оскільки один і той же тип і кількість інформації пройшов через ці два синапси, чи кожен з них змінився в силі на однакову кількість? Якщо так, то їх точність пластичності висока.

Команда Солка застосувала концепції теорії інформації для аналізу пар синапсів з гіпокампа щурів — частини мозку, що бере участь у навчанні та пам'яті — для сили, пластичності та точності пластичності.

Теорія інформації — це складний математичний спосіб розуміння обробки інформації як входу, що рухається через шумний канал і реконструюється на іншому кінці.

Що найважливіше, на відміну від методів, що використовувалися в минулому, теорія інформації пояснює шум багатьох сигналів і клітин мозку, на додаток до того, що пропонує дискретну одиницю інформації — трохи — для вимірювання кількості інформації, що зберігається в синапсі.

«Ми розділили синапси за силою, з яких було 24 можливі категорії, а потім порівняли спеціальні пари синапсів, щоб визначити, наскільки точно модулюється сила кожного синапсу», - каже Мохаммад Самават, перший автор дослідження та постдокторський дослідник у лабораторії Сейновського.

«Ми були раді виявити, що пари мали дуже схожі дендритні розміри хребта та синаптичні сили, а це означає, що мозок дуже точний, коли з часом робить синапси слабшими або сильнішими».

Перегляньте записи заходів, що відбулись в межах проєкту Ukrainian Family Medicine Week.

На додаток до відзначення подібності в силі синапсів у цих парах, що призводить до високого рівня точності пластичності, команда також виміряла кількість інформації, що зберігається в кожній з 24 категорій сили. Наперекір відмінності в розмірі кожного дендритичного хребта, кожна з 24 категорій синаптичної сили містила подібну кількість (від 4,1 до 4,6 біта) інформації.

Порівняно зі старими методами, цей новий підхід з використанням теорії інформації більш ретельний, що становить в 10 разів більше зберігання інформації в мозку, ніж передбачалося раніше, і масштабований, тобто його можна застосувати до різноманітних і великих наборів даних для збору інформації про інші синапси.

«Ця методика стане величезною допомогою для нейробіологів», — каже Крістен Гарріс, професор Техаського університету в Остіні та автор дослідження. «Цей детальний погляд на синаптичну силу та пластичність дійсно може просувати дослідження навчання та пам'яті, і ми можемо використовувати його для вивчення цих процесів у всіх різних частинах людського мозку, мозку тварин, молодого мозку та старого мозку».

Сейновський каже, що майбутня робота таких проєктів, як Ініціатива МОЗКУ Національного інституту охорони здоров'я, яка створила атлас клітин людського мозку в жовтні 2023 року, виграє від цього нового інструменту.

На додаток до вчених, які каталогізують типи та поведінку клітин мозку, ця техніка цікава для тих, хто вивчає, коли зберігання інформації йде не так — як при хворобі Альцгеймера.

У найближчі роки дослідники по всьому світу могли б використовувати цю техніку, щоб зробити неймовірні відкриття про здатність людського мозку освоювати нові навички, запам'ятовувати щоденні дії та зберігати інформацію в короткостроковій та довгостроковій перспективі.

ДЖЕРЕЛО: https://medicalxpress.com/

На платформі Accemedin багато цікавих заходів! Аби не пропустити їх, підписуйтесь на наші сторінки! Facebook. Telegram. Viber. Instagram.