Kiekybiškai įvertiname, kiek informacijos gali turėti mūsų sinapsės

Kiekybiškai įvertiname, kiek informacijos gali turėti mūsų sinapsės

Gyvensena mityba, dietos, judėjimas

Kiekvieną kartą vartydami daugybę žodyno žodžių kortelių, jų apibrėžimai pateikiami greičiau ir lengviau. Šis mokymosi ir naujos informacijos įsiminimo procesas sustiprina svarbius ryšius jūsų smegenyse. Lengviau prisiminus tuos naujus žodžius ir apibrėžimus praktikuojant, įrodoma, kad tie nerviniai ryšiai, vadinami sinapsėmis, laikui bėgant gali stiprėti arba susilpnėti – tai savybė, žinoma kaip sinapsinis plastiškumas.

Atskirų sinapsių dinamikos kiekybinis įvertinimas gali būti iššūkis neurologams, tačiau naujausios Salko instituto skaičiavimo naujovės gali tai pakeisti ir atskleisti naujų įžvalgų apie smegenis.

Norėdami suprasti, kaip smegenys mokosi ir išsaugo informaciją, mokslininkai bando kiekybiškai įvertinti, kiek stipresnė sinapsė tapo mokymosi metu ir kiek stipresnė ji gali tapti. Sinapsinę jėgą galima išmatuoti žiūrint į fizines sinapsių savybes, tačiau daug sunkiau išmatuoti plastiškumo tikslumą (ar sinapsės susilpnėja, ar stiprėja pastoviu kiekiu) ir informacijos kiekį, kurį sinapsė gali saugoti.

Salko mokslininkai sukūrė naują metodą sinapsinei jėgai, plastiškumo tikslumui ir informacijos saugojimo kiekiui tirti. Šių trijų sinaptinių ypatybių kiekybinis įvertinimas gali pagerinti mokslinį supratimą apie tai, kaip žmonės mokosi ir atsimena, taip pat kaip tie procesai laikui bėgant vystosi arba blogėja su amžiumi ar liga. Išvados buvo paskelbtos m Neuroninis skaičiavimas 2024 m. balandžio 23 d.

„Mes vis geriau nustatome, kur ir kaip atskiri neuronai yra sujungti vienas su kitu, tačiau dar turime daug ką išmokti apie tų jungčių dinamiką“, – sako profesorius Terrence'as Sejnowskis, vyresnysis tyrimo autorius ir tyrimo savininkas. Francis Crick kėdė Salk.

„Dabar sukūrėme metodą, skirtą tirti sinapsių stiprumą, tikslumą, kuriuo neuronai moduliuoja tą stiprumą, ir informacijos, kurią sinapsės gali saugoti, kiekį, todėl galime pastebėti, kad mūsų smegenys gali saugoti 10 kartų daugiau informacijos nei anksčiau. mintis“.

Kai žinutė keliauja per smegenis, ji šokinėja nuo neurono prie neurono, teka iš vieno neurono galo į kito neurono išskėstus ūselius, vadinamus dendritais. Kiekvienas neurono dendritas yra padengtas mažais svogūniniais priedais, vadinamais dendritiniais spygliais, o kiekvieno dendritinio stuburo gale yra sinapsė – mažytė erdvė, kurioje susitinka dvi ląstelės ir perduodamas elektrocheminis signalas. Skirtingoms žinutėms siųsti įjungiamos skirtingos sinapsės.

Kai kurie pranešimai suaktyvina sinapsių poras, kurios gyvena šalia viena kitos tame pačiame dendrite. Šios sinapsių poros yra fantastiška tyrimo priemonė – jei dviejų sinapsių aktyvavimo istorijos yra identiškos, mokslininkai gali palyginti tų sinapsių stiprumą, kad padarytų išvadas apie plastiškumo tikslumą.

Kadangi per šias dvi sinapses praėjo tas pats informacijos tipas ir kiekis, ar kiekvienos jų stiprumas pasikeitė tiek pat? Jei taip, jų plastiškumo tikslumas yra didelis.

Smegenų saugyklos atnaujinimas: kiekybiškai įvertiname, kiek informacijos gali turėti mūsų sinapsės

Salko komanda taikė informacijos teorijos koncepcijas, siekdama išanalizuoti sinapsių poras iš žiurkės hipokampo – smegenų dalies, dalyvaujančios mokyme ir atmintyje – dėl stiprumo, plastiškumo ir plastiškumo tikslumo.

Informacijos teorija yra sudėtingas matematinis būdas suprasti informacijos apdorojimą kaip įvestį, keliaujančią triukšmingu kanalu ir rekonstruojamą kitame gale.

Labai svarbu, kad, skirtingai nei praeityje naudojami metodai, informacijos teorija atsižvelgia į daugelio smegenų signalų ir ląstelių triukšmingumą, be to, siūlo atskirą informacijos vienetą – šiek tiek – sinapsėje saugomos informacijos kiekiui išmatuoti.

„Mes suskirstėme sinapses pagal stiprumą, iš kurių buvo 24 galimos kategorijos, tada palyginome specialias sinapsių poras, kad nustatytų, kaip tiksliai moduliuojamas kiekvienos sinapsės stiprumas“, – sako pirmasis tyrimo autorius ir Sejnowskio laboratorijos doktorantas Mohammadas Samavatas.

„Mums buvo malonu pastebėti, kad poros buvo labai panašios dendritinių stuburo dydžių ir sinaptinių stiprumų, o tai reiškia, kad smegenys yra labai tikslios, kai laikui bėgant sinapsės tampa silpnesnės arba stipresnės.

Be to, kad pastebėjo sinapsės stiprumo panašumus šiose porose, o tai reiškia aukštą plastiškumo tikslumą, komanda taip pat išmatavo informacijos kiekį kiekvienoje iš 24 stiprumo kategorijų. Nepaisant kiekvieno dendritinio stuburo dydžio skirtumų, kiekviena iš 24 sinapsinio stiprumo kategorijų turėjo panašų kiekį (nuo 4,1 iki 4,6 bitų) informacijos.

Palyginti su senesniais metodais, šis naujas požiūris, naudojant informacijos teoriją, yra (1) nuodugnesnis, smegenyse saugo 10 kartų daugiau informacijos, nei buvo manyta anksčiau, ir (2) keičiamas, o tai reiškia, kad jį galima pritaikyti įvairiems ir dideliems duomenų rinkiniams. rinkti informaciją apie kitas sinapses.

„Šis metodas bus didžiulė pagalba neurologams“, – sako Kristen Harris, Teksaso universiteto Ostine profesorė ir tyrimo autorė. „Šis išsamus sinapsinės jėgos ir plastiškumo tyrimas galėtų iš tikrųjų paskatinti mokymosi ir atminties tyrimus, ir mes galime juos panaudoti tyrinėdami šiuos procesus visose skirtingose ​​žmogaus smegenų dalyse, gyvūnų smegenyse, jaunose ir senose smegenyse.

Sejnowskis teigia, kad ši nauja priemonė bus naudinga būsimiems projektams, tokiems kaip Nacionalinio sveikatos instituto BRAIN iniciatyva, kuri 2023 m. spalį sukūrė žmogaus smegenų ląstelių atlasą.

Be mokslininkų, kurie kataloguoja smegenų ląstelių tipus ir elgseną, ši technika yra įdomi tiems, kurie studijuoja, kai informacijos saugojimas sugenda, pavyzdžiui, sergant Alzheimerio liga.

Ateinančiais metais mokslininkai visame pasaulyje galės panaudoti šią techniką, kad padarytų įdomių atradimų apie žmogaus smegenų gebėjimą išmokti naujų įgūdžių, prisiminti kasdienius veiksmus ir saugoti informaciją trumpalaikei ir ilgalaikei.