Populære Innlegg
Finn ut hvordan hjernen skaper nye minner, og bevarer de gamle
Forskere har utviklet en ny matematisk modell som hjelper til med å forklare hvordan den menneskelige hjernens biologiske kompleksitet gjør at den kan legge ned nye minner uten å utslette gamle.
Menneskelige hjerneprosesser er så komplekse at forskere har utviklet matematiske modeller for å forstå dem fullt ut. (Kilde: Pixabay) En ny studie viser hvordan hjernen vår lager nye minner, uten å slette de eldre.
Columbia -forskere har utviklet en ny matematisk modell som hjelper til med å forklare hvordan den menneskelige hjernens biologiske kompleksitet gjør at den kan legge ned nye minner uten å utslette gamle, som illustrerer hvordan hjernen opprettholder troverdigheten til minner i år, tiår eller til og med livet ut.
bilde av en yucca-plante
Denne modellen kan hjelpe nevrovitere til å designe mer målrettede studier av hukommelse, og også stimulere til fremskritt innen nevromorf maskinvare, kraftige datasystemer inspirert av den menneskelige hjernen.
Hjernen mottar, organiserer og lagrer stadig minner. Disse prosessene, som har blitt studert i utallige eksperimenter, er så komplekse at forskere har utviklet matematiske modeller for å forstå dem fullt ut, sa Stefano Fusi, avisens seniorforfatter. Modellen vi har utviklet forklarer endelig hvorfor biologien og kjemi som ligger til grunn for hukommelsen er så kompleks, og hvordan denne kompleksiteten driver hjernens evne til å huske.
Det antas at minner er lagret i synapser, små strukturer på overflaten av nevroner. Disse synapser fungerer som ledninger og overfører informasjonen inne i elektriske pulser som normalt går fra nevron til nevron. I de tidligste minnemodellene ble styrken til elektriske signaler som passerte gjennom synapser sammenlignet med en volumknapp på et stereoanlegg; den ringte opp for å øke (eller ned for å senke) forbindelsesstyrken mellom nevroner. Dette tillot dannelse av minner.
Disse modellene fungerte ekstremt godt, da de sto for enorm minnekapasitet. Men de stilte også et spennende dilemma.
svart hårete edderkopp med hvite flekker
Problemet med en enkel, ringelignende modell for hvordan synapser fungerer var at det ble antatt at styrken deres kunne ringes opp eller ned på ubestemt tid, sa Dr. Fusi og la til: Men i virkeligheten kan dette ikke skje. Enten det er volumknappen på et stereoanlegg eller et biologisk system, må det være en fysisk grense for hvor mye den kan snu.
Da disse grensene ble pålagt, kollapset minnekapasiteten til disse modellene.
Så Dr Fusi, i samarbeid med andre Zuckerman Institute -etterforsker Larry Abbot tilbød et alternativ, hver synaps er mer kompleks enn bare en urskive, og bør i stedet beskrives som et system med flere ringer.
I 2005 publiserte Dr Fusi og Abbott forskning som forklarte denne ideen. De beskrev hvordan forskjellige ringer i en synapse kunne fungere samtidig for å danne nye minner samtidig som de beskytter gamle. Men selv den modellen, skjønte forfatterne senere, manglet det de trodde hjernen, spesielt den menneskelige hjernen, kunne holde.
Vi skjønte at de forskjellige synaptiske komponentene, eller urskiver, ikke bare fungerte på forskjellige tidspunkter, men også sannsynligvis kommuniserte med hverandre, sa Marcus Benna, den første forfatteren av dagens Nature Neuroscience -papir. Når vi la kommunikasjonen mellom komponenter i modellen vår, økte lagringskapasiteten med en enorm faktor og ble langt mer representativ for det som oppnås inne i den levende hjernen.
Se hva annet som lager nyheter.
Dr Benna sammenlignet komponentene i denne nye modellen med et system med beger som er koblet til hverandre gjennom en serie rør.
I et sett med sammenhengende beger, hver fylt med forskjellige mengder vann, vil væsken ha en tendens til å strømme mellom dem slik at vannstandene blir utlignet. I vår modell representerer begerglassene de forskjellige komponentene i en synapse, forklarte Dr Benna. Tilsetning av væske til et av begerglassene eller fjerning av noe av det representerer kodingen av nye minner. Over tid vil den resulterende strømmen av væske diffundere over de andre begerglassene, noe som tilsvarer langsiktig lagring av minner.
Begge forskerne er håpefulle om at dette arbeidet kan hjelpe nevrovitere i laboratoriet ved å fungere som et teoretisk rammeverk for å veilede fremtidige eksperimenter, og til slutt føre til en mer komplett og mer detaljert karakterisering av hjernen.
identifisere treblader etter bilde
Selv om det synaptiske grunnlaget for hukommelse er godt akseptert, har det på ingen måte vært på grunn av Nobelprisvinneren og Zuckerman Instituttets direktør dr. Eric Kandel, det har vært ekstremt vanskelig å avklare hvordan synapser støtter minner gjennom mange år uten nedbrytning, sa Abbott. Dr Benna og Fusi bør tjene som en guide for forskere som utforsker den molekylære kompleksiteten til synapsen.
De teknologiske implikasjonene av denne modellen er også lovende. Dr Fusi har lenge vært fascinert av nevromorf maskinvare, datamaskiner som er designet for å etterligne en biologisk hjerne.
små lilla blomster lang stilk
I dag er nevromorf maskinvare begrenset av minnekapasitet, som kan være katastrofalt lav når disse systemene er designet for å lære autonomt, sa Dr. både kompakt og energieffektiv og like kraftig som menneskehjernen.
Denne artikkelen, Computational principes of synaptic memory consolidation, er publisert online i Nature Neuroscience.