Νευροεπιστήμη: Για να κατανοήσουν πώς ο εγκέφαλος μαθαίνει και διατηρεί πληροφορίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν πόσο ισχυρότερη έχει γίνει μια σύναψη μέσω της μάθησης και πόσο ισχυρότερη μπορεί να γίνει.
Με κάθε αναστροφή που κάνετε μέσα από μια τράπουλα λεξιλογικών καρτών flash, οι ορισμοί έρχονται πιο γρήγορα, πιο εύκολα. Αυτή η διαδικασία εκμάθησης και απομνημόνευσης νέων πληροφοριών ενισχύει σημαντικές συνδέσεις στον εγκέφαλό σας. Η ανάκληση αυτών των νέων λέξεων και ορισμών πιο εύκολα με την πρακτική είναι απόδειξη ότι αυτές οι νευρικές συνδέσεις, που ονομάζονται συνάψεις, μπορούν να γίνουν ισχυρότερες ή πιο αδύναμες με την πάροδο του χρόνου – ένα χαρακτηριστικό γνωστό ως συναπτική πλαστικότητα.
Η ποσοτικοποίηση της δυναμικής των μεμονωμένων συνάψεων μπορεί να είναι μια πρόκληση για τους νευροεπιστήμονες, αλλά οι πρόσφατες υπολογιστικές καινοτομίες από το Ινστιτούτο Salk μπορεί να το αλλάξουν – και να αποκαλύψουν νέες ιδέες για τον εγκέφαλο στην πορεία. Για να κατανοήσουν πώς ο εγκέφαλος μαθαίνει και διατηρεί πληροφορίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν πόσο ισχυρότερη έχει γίνει μια σύναψη μέσω της μάθησης και πόσο ισχυρότερη μπορεί να γίνει.
Η συναπτική ισχύς μπορεί να μετρηθεί εξετάζοντας τα φυσικά χαρακτηριστικά των συνάψεων, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να μετρηθεί η ακρίβεια της πλαστικότητας (αν οι συνάψεις γίνονται πιο αδύναμες ή ισχυρότερες κατά ένα σταθερό ποσό) και την ποσότητα πληροφοριών που μπορεί να αποθηκεύσει μια σύναψη. Οι επιστήμονες του Salk έχουν δημιουργήσει μια νέα μέθοδο για να εξερευνήσουν τη συναπτική δύναμη, την ακρίβεια της πλαστικότητας και την ποσότητα αποθήκευσης πληροφοριών.
Η ποσοτικοποίηση αυτών των τριών συναπτικών χαρακτηριστικών μπορεί να βελτιώσει την επιστημονική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι άνθρωποι μαθαίνουν και θυμούνται, καθώς και πώς αυτές οι διαδικασίες εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου ή επιδεινώνονται με την ηλικία ή την ασθένεια. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο Neural Computation στις 23 Απριλίου 2024. «Γίνουμε καλύτεροι στο να προσδιορίζουμε ακριβώς πού και πώς συνδέονται μεμονωμένοι νευρώνες μεταξύ τους, αλλά έχουμε ακόμα πολλά να μάθουμε για τη δυναμική αυτών των συνδέσεων», λέει ο καθηγητής Terrence Sejnowski, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
«Έχουμε δημιουργήσει τώρα μια τεχνική για τη μελέτη της ισχύος των συνάψεων, την ακρίβεια με την οποία οι νευρώνες ρυθμίζουν αυτή τη δύναμη και την ποσότητα των πληροφοριών που μπορούν να αποθηκεύσουν οι συνάψεις – οδηγώντας μας στο να ανακαλύψουμε ότι ο εγκέφαλός μας μπορεί να αποθηκεύσει 10 φορές περισσότερες πληροφορίες από ό,τι στο παρελθόν.»
Όταν ένα μήνυμα ταξιδεύει μέσω του εγκεφάλου, μεταπηδά από νευρώνα σε νευρώνα, ρέοντας από το άκρο ενός νευρώνα στους προτεταμένους έλικες, που ονομάζονται δενδρίτες, ενός άλλου. Κάθε δενδρίτης σε έναν νευρώνα καλύπτεται με μικροσκοπικά βολβώδη προσαρτήματα, που ονομάζονται δενδριτικές σπονδυλικές στήλες, και στο τέλος κάθε δενδριτικής ράχης βρίσκεται η σύναψη – ένας μικροσκοπικός χώρος όπου συναντώνται τα δύο κύτταρα και μεταδίδεται ένα ηλεκτροχημικό σήμα. Ενεργοποιούνται διαφορετικές συνάψεις για την αποστολή διαφορετικών μηνυμάτων.
Ορισμένα μηνύματα ενεργοποιούν ζεύγη συνάψεων, που ζουν το ένα κοντά στο άλλο στον ίδιο δενδρίτη. Αυτά τα ζεύγη συνάψεων είναι ένα φανταστικό ερευνητικό εργαλείο – εάν δύο συνάψεις έχουν πανομοιότυπες ιστορίες ενεργοποίησης, οι επιστήμονες μπορούν να συγκρίνουν τη δύναμη αυτών των συνάψεων για να βγάλουν συμπεράσματα σχετικά με την ακρίβεια της πλαστικότητας. Εφόσον ο ίδιος τύπος και ο ίδιος όγκος πληροφοριών έχει περάσει μέσα από αυτές τις δύο συνάψεις, άλλαξαν η κάθε μία σε ισχύ κατά το ίδιο ποσό; Αν ναι, η ακρίβεια της πλαστικότητάς τους είναι υψηλή.
Η ομάδα του Salk εφάρμοσε έννοιες από τη θεωρία πληροφοριών για να αναλύσει ζεύγη συνάψεων από έναν ιππόκαμπο αρουραίου – ένα μέρος του εγκεφάλου που εμπλέκεται στη μάθηση και τη μνήμη – για τη δύναμη, την πλαστικότητα και την ακρίβεια της πλαστικότητας. Η θεωρία πληροφοριών είναι ένας εξελιγμένος μαθηματικός τρόπος κατανόησης της επεξεργασίας πληροφοριών ως εισόδου που ταξιδεύει μέσω ενός θορυβώδους καναλιού και ανακατασκευάζεται στο άλλο άκρο.
Είναι κρίσιμο, σε αντίθεση με τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν, η θεωρία της πληροφορίας εξηγεί τον θόρυβο των πολλών σημάτων και κυττάρων του εγκεφάλου, επιπλέον του ότι προσφέρει μια διακριτή μονάδα πληροφοριών – λίγο – για τη μέτρηση της ποσότητας πληροφοριών που αποθηκεύονται σε μια σύναψη.
«Χωρίσαμε τις συνάψεις ανά δύναμη, από τις οποίες υπήρχαν 24 πιθανές κατηγορίες, και στη συνέχεια συγκρίναμε ειδικά ζεύγη συνάψεων για να προσδιορίσουμε με ποιον τρόπο ακριβώς διαμορφώνεται η δύναμη κάθε συνάψεως», λέει ο Mohammad Samavat, πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που ανακαλύψαμε ότι τα ζευγάρια είχαν πολύ παρόμοια μεγέθη δενδριτικής σπονδυλικής στήλης και συναπτικές δυνάμεις, που σημαίνει ότι ο εγκέφαλος είναι πολύ ακριβής όταν κάνει τις συνάψεις πιο αδύναμες ή ισχυρότερες με την πάροδο του χρόνου».
Εκτός από την επισήμανση των ομοιοτήτων στη δύναμη των συνάψεων μέσα σε αυτά τα ζεύγη, που μεταφράζεται σε υψηλό επίπεδο ακρίβειας πλαστικότητας, η ομάδα μέτρησε επίσης τον όγκο των πληροφοριών που διατηρούνται σε καθεμία από τις 24 κατηγορίες δύναμης. Παρά τις διαφορές στο μέγεθος κάθε δενδριτικής σπονδυλικής στήλης, καθεμία από τις 24 κατηγορίες συναπτικής ισχύος είχε παρόμοια ποσότητα (μεταξύ 4,1 και 4,6 bit) πληροφοριών.
Διαβάστε όλες τις τελευταίες Ειδήσεις για την υγεία από την Ελλάδα και τον Κόσμο
Ακολουθήστε το healthweb.gr στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις
