Новый взгляд на память: эти клетки действуют как мини-компьютеры внутри мозга

Что, если клетки, которые мы раньше считали вспомогательными, на самом деле управляют нашей памятью? Новая модель машинного обучения предлагает: не только нейроны отвечают за запоминание. В фокусе — астроциты, звездообразные клетки мозга, которые до сих пор оставались в тени.

Фото: Standard tissue culture and immunofluorescence by GerryShaw, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Клетки головного мозга

Много лет считалось, что именно нейроны строят всё, что связано с мышлением и памятью. Но свежее исследование, опубликованное в журнале PNAS, меняет эту картину. Учёные обнаружили: астроциты могут играть ключевую роль в хранении информации благодаря своей уникальной сетевой архитектуре.

В чём особенность астроцитов?

Астроциты напоминают осьминогов — их тело окружено множеством тонких "щупалец", научно — отростков.

Эти ветвящиеся структуры оплетают места, где нейроны обмениваются сигналами. Вместе они создают трёхсторонние синапсы — миниатюрные "рукопожатия" между двумя нейронами и астроцитом.

"Вы можете представить астроцит в виде осьминога с миллионами щупалец. Голова осьминога — это тело клетки, а щупальца — отростки, которые обвивают близлежащие синапсы", — говорит автор работы Лео Козачков из IBM Research.

В отличие от нейронов, астроциты не передают электрические импульсы. Вместо этого они используют кальциевые волны — особую форму сигнализации, при которой внутри клетки распространяются потоки ионов кальция.

Кальциевые компьютеры мозга

Учёные предполагают: эти кальциевые сигналы работают как мини-компьютеры, которые собирают, обрабатывают и передают информацию.

"Эти процессы действуют как крошечные кальциевые компьютеры, они улавливают информацию, передаваемую через синапсы, обмениваются ею между собой и возвращают её обратно нейронам, заставляя их корректировать свою активность", — говорит Козачков.

В новом исследовании модель машинного обучения показала, что каждый отдельный отросток астроцита может работать как самостоятельная вычислительная единица.

Это значит, что мозгу не нужно задействовать много нейронов для хранения большого количества воспоминаний — достаточно активировать сеть астроцитов. Это делает процесс энергоэффективным, ведь нейроны — "дорогие" с точки зрения ресурсов.

Память и болезнь Альцгеймера

Учёные предполагают, что астроциты могут хранить воспоминания в виде устойчивых кальциевых паттернов, которые затем передаются нейронам через химические сигналы. Если эта теория подтвердится, у медицины появятся новые терапевтические цели.

"Известно, что астроциты участвуют в развитии болезни Альцгеймера. Наша модель объясняет, что может идти не так в этих процессах", — пояснил Козачков.

По его словам, в будущем можно будет разрабатывать методы, которые восстанавливают память, точно воздействуя на кальциевые связи астроцитов.

Будущее искусственного интеллекта

Открытие может повлиять не только на лечение нейродегенеративных заболеваний, но и на развитие технологий.

Вдохновившись плотной архитектурой астроцитов, учёные надеются создавать энергоэффективные ИИ-системы, способные хранить и обрабатывать большие объёмы информации, подобно мозгу.

Это особенно перспективно для голосовых помощников, автономных устройств, нейроинтерфейсов и нейропротезирования.

Однако исследователи подчёркивают: модель пока остаётся теоретической. Современные технологии ещё не способны в реальном времени зафиксировать мельчайшие взаимодействия астроцитов и нейронов.

"Модели — мощный инструмент, но это всё ещё приближение к реальности", — напомнил исследователь Маурицио де Питта из института Крембила в Торонто.

Тем не менее, если гипотеза подтвердится, возможно, мы увидим, как одно из самых больших заблуждений о мозге наконец будет пересмотрено.

Уточнения

Астроцит (лат. astrocytus; от греч. άστρον — звезда и κύτος —клетка) — тип нейроглиальной клетки звёздчатой формы с многочисленными отростками. Совокупность астроцитов называется астроглией. При некоторых условиях астроциты могут превращаться в нейроны.

Боле́знь Альцгеймера - наиболее распространённая форма деменции, нейродегенеративное заболевание, впервые описанное в 1907 году немецким психиатром Алоисом Альцгеймером (1864-1915). Как правило, она обнаруживается у людей старше 65 лет, но существует и ранняя болезнь Альцгеймера — редкая форма заболевания.