Mozog ako „superpočítač bez hraníc“: Neurovedci odhalili fascinujúce tajomstvá neobmedzenej pamäti

Celé desaťročia prehliadame jedného z najdôležitejších hráčov v tvojom mozgu. Bunky, ktoré považujeme len za upratovačky mozgových tkanív, môžu skrývať neuveriteľnú silu pamäti. Vedci z MIT prišli s prelomovou teóriou. Tá môže úplne zmeniť naše pochopenie toho, ako tvoj mozog ukladá obrovské množstvo informácií.

Tvoj mozog obsahuje približne 86 miliárd neurónov. Tieto bunky posielajú elektrické signály. O nich sme si mysleli, že nesú hlavnú zodpovednosť za pamäť. Vedci teraz ukazujú niečo iné. Rovnako dôležité môžu byť astrocyty.

Ide o hviezdicovité bunky s dlhými výbežkami. Dokážu komunikovať s miliónmi neurónov naraz. Informuje o tom web Scitech Daily a štúdia uverejnená na portáli PNAS. Táto nová hypotéza môže nielen revolučne zmeniť neurovedy. Môže aj ovplyvniť vývoj umelej inteligencie.

Hviezdicové bunky odkrývajú svoje tajomstvo

Keď si predstavuješ svoj mozog pri práci, myslíš na neuróny. Ide o tie slávne bunky, ktoré „vystreľujú“ elektrické impulzy. Vytvárajú tvoje myšlienky a spomienky. V tvojom mozgu však žijú aj miliardy iných buniek. Nazývame ich astrocyty. Tieto hviezdicovité bunky dostali svoje meno kvôli svojmu vzhľadu. Majú dlhé, vetvené výbežky. Pripomínajú hviezdy.

Dlhé roky vedci verili jednému. Astrocyty fungujú len ako podporný personál mozgu. Čistia odpad. Donášajú živiny neurónom. Starajú sa o správne prúdenie krvi. Fungovalo to ako v orchestri. Mysleli sme si, že hudbu hrá len dirigent. Ostatní členovia len udržiavajú poriadok v sále.

Jean-Jacques Slotine, profesor z MIT, vysvetľuje situáciu jednoducho. „Pôvodne sme verili, že astrocyty len upratujú okolo neurónov. Niet však dôvodu, prečo by evolúcia nevyužila jeden fakt. Každý astrocyt dokáže kontaktovať stovky tisíc synapsií. Mohol by ich používať aj na výpočty.“

Jeden astrocyt dokáže niečo fascinujúce. Svojimi výbežkami obklopí tisíce synapsií. Ide o miesta, kde sa neuróny spájajú a komunikujú. Vytvárajú niečo, čo vedci nazývajú „trojstranná synapsia“. Je to miesto, kde sa stretávajú dva neuróny a jeden astrocyt. Funguje to ako rozhovor medzi dvoma ľuďmi. Zrazu začne aktívne participovať tretí. Celý čas počúval a teraz má čo povedať.

Revolúcia v chápaní pamäti

Tvoj mozog dokáže uložiť neuveriteľné množstvo informácií. Pamätáš si tvár svojej babičky z detstva. Pamätáš si chuť prvého bozku. Poznáš slová svojej obľúbenej piesne. Uchovával si tisíce iných detailov. Ale ako je možné niečo takéto? Ako sa do relatívne malého orgánu zmestí toľko údajov? Tradičné modely pamäte postavené len na neurónoch tento fenomén nevysvetľujú úplne.

Tím vedcov pod vedením Dmitrija Krotova z MIT-IBM Watson AI Lab prišiel s revolučnou myšlienkou. Ich model naznačuje dôležitú vec. Astrocyty môžu byť kľúčové pre obrovskú kapacitu tvojho mozgu. Nejde o pasívnych pozorovateľov. Sú to aktívni účastníci procesu zapamätávania.

Výskumníci čerpali inšpiráciu z takzvaných Hopfieldových sietí. Tieto modely dokážu ukladať a vyvolávať vzory. Fungujú podobne ako tvoj mozog. Tradičné Hopfieldove siete majú jeden problém. Nedokážu uskladniť dostatok informácií. Nevysvetľujú kapacitu ľudského mozgu. Existuje však novšia verzia. Nazýva sa „hustá asociatívna pamäť“. Dokáže uložiť oveľa viac údajov. Spája viacero neurónov naraz.

Tu prichádza kľúčové zistenie. Bežné synapsie spájajú len dva neuróny. Astrocyty dokážu spájať celé skupiny neurónov súčasne. Je to ako rozdiel medzi telefónom a konferenciou. Pri telefóne komunikujú dvaja ľudia. Pri konferencii komunikuje mnoho účastníkov súčasne. Táto možnosť vytvárať komplexné spojenia medzi viacerými neurónmi vysvetľuje fantastickú kapacitu tvojho mozgu.

Vápnikové signály lúštia kód pamäti

Astrocyty komunikujú inak ako neuróny. Nevystreľujú elektrické impulzy. Používajú sofistikovanejší systém. Funguje na báze vápnika. Keď astrocyt „počuje“ aktivitu neurónov vo svojom okolí, niečo sa stane. Zmení sa úroveň vápnika v jeho vnútri. Tieto zmeny spúšťajú uvoľňovanie chemických látok. Nazývame ich gliotransmitery. Uvoľňujú sa priamo do synapsií.

Fungovanie pripomína choreografiu. Neuróny tancujú svoj elektrický tanec. Astrocyty pozorujú a reagujú svojím vlastným vápnikovým rytmom. Potom sa opäť pripoja k tancu. Uvoľnia chemické signály. Leo Kozachkov, hlavný autor štúdie, to opisuje ako „uzavretý kruh“. Signalizácia neurónov vedie k signalizácii z astrocytov späť k neurónom.

Vedci z MIT navrhujú zaujímavú teóriu. V astrocytoch sa spomienky kódujú postupnými zmenami v tokoch vápnika. Tieto informácie sa prenášajú späť k neurónom. Funguje to cez gliotransmitery uvoľňované v synapsách. Kozachkov vysvetľuje kľúčový princíp.

„Starostlivou koordináciou týchto dvoch vecí dokážeš získať presne tú dynamiku, ktorú potrebuješ. Ide o priestorovo-časový vzor vápnika v bunke. A potom signalizáciu späť k neurónom. Výsledkom je masívne zvýšenie kapacity pamäti.“

Model má zaujímavú vlastnosť. Nepovažuje astrocyt za jednu veľkú bunku. Vidí ho ako kolekciu malých počítačových jednotiek. Každý výbežok astrocytu sa stáva samostatnou výpočtovou jednotkou. Hustá asociatívna pamäť má vysokú kapacitu. Pomer množstva uložených informácií k počtu výpočtových jednotiek je veľmi vysoký. Rastie s veľkosťou siete. To robí systém nielen vysokokapacitný. Je aj energeticky efektívny.

Nové horizonty pre vedu a technológie

Ak sa táto teória potvrdí, stane sa niečo veľké. Kompletne sa zmení naše chápanie mozgu a pamäti. Maurizio De Pitta z Univerzity v Toronte nevykonával tento výskum. Vysvetľuje však význam objavu: „Autori konceptualizujú trojstranné synaptické domény ako základné výpočtové jednotky mozgu. Astrocyty v nich dynamicky interagujú s pre- a postsynaptickými neurónmi. Argumentujú, že každá jednotka dokáže uložiť toľko pamäťových vzorov, koľko je neurónov v sieti.“

Pre bežného človeka to znamená niečo úžasné. Tvoj mozog môže byť ešte fascinujúcejší, než sme si mysleli. Tie „pomocné“ bunky v tvojej hlave môžu skrývať skutočné superhrdinské schopnosti. Celé desaťročia nám držali v tajnosti svoju skutočnú silu pamäti.

Pre vedcov sa otvárajú nové možnosti výskumu. Musia dokázať niečo konkrétne. Presne manipulovať spojenia medzi výbežkami astrocytov. Pozorovať, ako to ovplyvňuje pamäť. Len tak konečne pochopia skutočný mechanizmus ukladania spomienok. Krotov formuluje nádej jasne. „Dúfame, že experimentátori budú túto myšlienku brať vážne. Vykonajú experimenty testujúce túto hypotézu.“

Vplyv tejto teórie siaha ďaleko za hranice neurovedy. Môže revolučne zmeniť aj vývoj umelej inteligencie. Slotine upozorňuje na dôležitý fakt: „Neurovedy pôvodne inšpirovali kľúčové myšlienky v AI. Posledných 50 rokov výskumu neurovedy malo však malý vplyv na túto oblasť. Mnohé moderné AI algoritmy sa vzdialili od neurálnych analógií. Táto práca môže byť jedným z prvých príspevkov do AI.“

Čítaj viac z kategórie: Zaujímavosti