Nový model Massachusetts Institute of Technology předpokládá, že astrocyty, dříve považované za pomocné buňky, mohou hrát klíčovou roli v ukládání paměti a překonávat neurony v kapacitě a účinnosti.
Někdy se hlavní hrdinové nejúžasnějších příběhů ukážou být někým jiným, než jsme očekávali. Po desetiletí se neurobiologie soustředila téměř výlučně na neurony: hvězdy nervového systému, které jsou zodpovědné za odesílání a přijímání signálů, budování myšlenek a formování vzpomínek. Ale v pozadí mozku existují i jiné buňky, mnohem početnější a dosud mnohem méně prozkoumané .
Co kdyby naše paměť závisela nejen na neuronech, ale i na neviditelných společnících? To by vysvětlovalo, jak se formují vzpomínky z dětství – revoluce . Vědci z MIT a IBM přišli s provokativní myšlenkou: astrocyty – typ gliálních buněk, tradičně považovaných za podpůrné – mohou hrát klíčovou roli v uchovávání paměti. Nejedná se pouze o nejasnou intuici: jde o složitý matematický a biologický model, který naznačuje radikální změnu v tom, jak chápeme mysl.
Astrocyty: nejvíce ignorované buňky mozku
Astrocyty nejsou v mozku vzácné, ale jsou nejrozšířenějším typem buněk . Ačkoli jejich klasickou funkcí je udržování chemické rovnováhy, odstraňování odpadů a zásobování neuronů živinami a kyslíkem, nové výzkumy ukázaly, že dělají mnohem více. Astrocyty mají výběžky, které se mohou obtočit kolem synapsí – spojovacích bodů mezi neurony – a tvořit struktury zvané tříkomponentní synapse .
Jeden astrocyt může být v kontaktu s více než milionem synapsí , čímž vytváří rozsáhlou síť interakcí, která byla dříve považována za nefunkční. Dlouho se mělo za to, že astrocyty pouze pasivně „naslouchají“. Nedávné výzkumy však ukázaly, že mohou detekovat neuronální aktivitu a reagovat uvolňováním gliotransmiterů – molekul, které přímo ovlivňují signál přenášený mezi neurony.
Revoluční hypotéza: vzpomínky mimo neurony
Nová studie publikovaná v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences navrhuje výpočetní model založený na těchto funkcích astrocytů. Podle autorů se paměťová kapacita může částečně nacházet v astrogliální síti procesů , a nikoli pouze v neuronových synapsích, jak se dříve předpokládalo.
Autoři předpokládají, že astrocyty provádějí výpočty a že tyto výpočty jsou formovány proměnlivými vnitřními signálními cestami . Toto tvrzení není bezdůvodnou spekulací: je podloženo matematickým modelem asociativní paměti inspirovaným umělými neuronovými sítěmi. Jedná se o rozšíření Hopfieldových sítí, které byly zásadní pro teoretickou neurovědu a vývoj umělé inteligence.
Novinkou je, že tento nový model integruje astrocyty jako výpočetní jednotky, které mohou výrazně zvýšit kapacitu sítě. Dělají to díky své schopnosti přenášet vápník uvnitř a interagovat s mnoha synapsemi současně.
Od umělých sítí k lidskému mozku
Navržený model patří do třídy nazývané „husté asociativní paměti“. Tyto sítě překonávají omezení tradičních Hopfieldových sítí, které ukládají pouze relativně malé množství šablon. Místo toho, že zahrnuje astrocyty jako propojené uzly, model MIT demonstruje škálovatelný růst paměťové kapacity: čím více astrocytů, tím více možných vzpomínek .
„Naše práce ukazuje, že neuronálně-astrocytární sítě se řídí vyšším zákonem škálovatelnosti paměti “, uvádí se v článku. To znamená, že každá nová jednotka nejen přidává informace, ale také znásobuje kapacitu úložiště . Vědci tvrdí, že k tomuto zlepšení dochází díky ukládání vzpomínek do vnitřní sítě procesů astrocytů, a nikoli pouze do synaptických spojení.
Jinými slovy, astrocyty přispívají nejen objemem, ale i strukturou, která umožňuje efektivnější ukládání a vyhledávání vzorců mozkové aktivity. Tento objev není v rozporu s teorií engramů – myšlenkou, že vzpomínky se nacházejí v určitých sadách neuronů aktivovaných během učení – ale spíše ji doplňuje.
Jakou roli hrají astrocyty v mozkových výpočtech?
Jádro tohoto tvrzení spočívá v matematickém pojmu: energetická funkce . V tomto typu modelu je každá vzpomínka spojena s „minimem“ energie v abstraktním prostoru. Když aktivujeme část této vzpomínky, mozková aktivita se přirozeně snaží dokončit vzorec a dovést nás k úplné vzpomínce. Tímto způsobem lze vysvětlit jevy, jako je rozpoznávání nebo spontánní vybavení.
Na novém modelu je zajímavé to, že zavádí čtyřstranné interakce v síti astrogliálních procesů , což umožňuje mnohem složitější a efektivnější kódování. Přítomnost tenzoru T, matematické struktury, která tyto vazby reprezentuje, je klíčem k pochopení toho, jak astrocyty mohou přispívat k interakci mezi vzdálenými synapsemi a tím podporovat výkonnější paměťové sítě.
Autoři dále vysvětlují, že v simulacích je tento systém schopen opravovat chyby a dokonce doplňovat částečně zkreslené obrazy nebo zvuky. Jinými slovy, nejenže ukládá více dat, ale dělá to také spolehlivějším a flexibilnějším způsobem
Důsledky pro neurovědu a umělou inteligenci
Tento model přímo zpochybňuje jeden z ústředních předpokladů neurovědy : že synapse mezi neurony jsou jediným substrátem paměti. Pokud se potvrdí, že astrocyty také ukládají informace, bude nutné přepsat značnou část učebnic neurobiologie.
Navíc souvislosti mezi tímto modelem a pokročilejšími systémy umělé inteligence jsou zarážející . Tým předpokládá, že jejich architektura může interpolovat mezi hustými asociativními vzpomínkami a mechanismy pozornosti, jako jsou ty, které se používají v Transformers, sítích, které napájejí modely jako ChatGPT.
To otevírá nečekanou možnost: lepší pochopení role astrocytů v mozku nám může pomoci vytvořit lepší algoritmy umělé inteligence . A naopak, biologicky inspirované počítačové modely nám mohou pomoci odhalit tajemství, která jsou stále skryta v našem vědomí.
Jak tuto teorii ověřit?
Dalším krokem je podle autorů experiment. Aby se ověřila správnost modelu, bude nutné manipulovat s vnitřními vazbami astrogliálních procesů a sledovat, jak to ovlivňuje paměť . Ačkoli je to technicky složité, s pomocí moderních nástrojů molekulární neurobiologie to není nemožné.
Navrhují také přizpůsobit model reálným fyziologickým údajům, například omezením vazeb pouze na blízké astrogliální procesy. To by umožnilo, aby simulace co nejvíce odpovídala pozorovanému chování mozku a potvrdila, zda se astrocyty skutečně aktivně podílejí na formování paměti.
„Naše model předpovídá, že ztížená difúze vápníku přes astrocyty výrazně zhorší vybavování paměti “, vysvětlují autoři. Pokud budoucí experimenty tuto hypotézu potvrdí, staneme se svědky revoluce v našem chápání mozku.
