Наши воспоминания и мысли возникают из сложных схем электрической и химической активности в мозге. Центральными элементами этой активности являются синапсы, соединения, в которых соединяются ветви нейронов, подобно электрическим проводам. Здесь аксон одного нейрона соединяется с дендритом другого. В этих синапсах нейротрансмиттеры переносят сигналы через щель, инструктируя принимающий нейрон передать электрический сигнал другим. Примечательно, что каждый нейрон может образовывать тысячи таких связей.
Подобно компьютерам, мы измеряем память мозга в «битах», а количество битов, которые он может хранить, зависит от количества и силы его синапсов. Стоит отметить, что мозг аналоговый — просто чтобы вы не получили неправильного представления. Мозг обрабатывает все параллельно, в непрерывном времени, а не в дискретных интервалах, поэтому «бит» (наименьшая единица цифровых данных) в этом случае не является идеальной аналогией того, как информация хранится в биологической системе. Тем не менее, он служит для оценки обработки информации с использованием знакомой линейки.
Ранее считалось, что человеческие синапсы имеют очень ограниченные размеры и силу. Однако недавние исследования говорят об обратном. Они показывают, что синапсы, которые когда-то считались имеющими узкий диапазон возможных конфигураций, гораздо сложнее.
Это означает, что способность человеческого мозга хранить информацию может быть почти в десять раз больше, чем предполагалось ранее.
Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Института Солка разработала высокоточный метод оценки силы синапсов в мозге крысы. Эти синапсы, в которых клетки мозга обмениваются информацией и хранят ее, играют важнейшую роль в обучении и памяти. Поняв, как синапсы усиливаются и ослабевают, ученые точно количественно оценили информационную емкость этих связей. Результаты исследования опубликованы в журнале Neural Computation.
В человеческом мозге между нейронами существует более 100 триллионов синапсов. Эти синапсы облегчают передачу информации по мозгу, запуская химические посланники. По мере того, как мы учимся, определенные синапсы укрепляются, позволяя нам сохранять новую информацию. Этот процесс известен как синаптическая пластичность.
Когда нейроны говорят, они делают это с разной громкостью — некоторые нейроны шепчут друг другу, а другие кричат. Настройка «громкости» синапса, или синаптическая сила, не статична; скорее, она изменяется как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Синаптическая пластичность относится к этим изменениям синаптической силы.
Однако старение и неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, могут ослабить синапсы, снижая наши когнитивные способности. Вот почему такие исследования важны — они могут помочь ученым открыть новые методы лечения, которые могут предотвратить или даже вылечить нейродегенеративные заболевания, которые в настоящее время терзают миллионы пациентов по всему миру. Однако измерение силы синапсов традиционно было сложной задачей.
Команда проанализировала пары синапсов из гиппокампа крысы, области мозга, связанной с обучением и памятью. Метод нового исследования использует теорию информации, которая позволяет ученым количественно оценить, сколько информации синапсы могут хранить и передавать. Это означает, что структура, обычно зарезервированная для компьютеров, была применена к мозгу, чтобы оценить количество битов, которые могут хранить синапсы. Они обнаружили, что эти пары синапсов реагировали на один и тот же тип и количество мозговых сигналов, выполняя регулировку синаптической силы.
В конечном итоге этот анализ показал, что синапсы гиппокампа могут хранить от 4,1 до 4,6 бит информации. Ранее ученые считали, что каждый синапс может хранить один бит. В целом это означает, что человеческий мозг может хранить в десять раз больше информации, чем считалось ранее, или по крайней мере петабайт — это столько же, сколько 500 миллиардов DVD или все фильмы, когда-либо снятые в высоком разрешении.
Хотя исследование сосредоточено на небольшой части мозга крысы, будущие исследования могут изучить, как емкость хранения информации варьируется в зависимости от различных областей мозга и видов. Этот метод также может сравнивать здоровые и больные состояния мозга, предлагая понимание условий, которые влияют на когнитивные функции.
В 2016 году исследователи Солка пришли к тем же выводам . Новые результаты служат подтверждением этой первоначальной оценки. Тогда исследователи также сделали еще одно важное открытие: существует по крайней мере 26 категорий размеров синапсов, а не просто несколько.
Эти результаты также дают представление о замечательной эффективности мозга. Несмотря на свою сложность, бодрствующий мозг взрослого человека потребляет всего около 20 Вт непрерывной мощности, что сопоставимо с очень тусклой лампочкой. Эти открытия могут вдохновить компьютерных ученых на разработку высокоточных, но энергоэффективных компьютеров. Это может принести особую пользу «глубокому обучению» и искусственным нейронным сетям, расширив их возможности в таких областях, как распознавание речи, идентификация объектов и языковой перевод.
