Populära Inlägg
Ta reda på hur hjärnan skapar nya minnen och bevarar det gamla
Forskare har utvecklat en ny matematisk modell som hjälper till att förklara hur den mänskliga hjärnans biologiska komplexitet gör att den kan lägga ner nya minnen utan att utplåna gamla.
Mänskliga hjärnprocesser är så komplexa att forskare har utvecklat matematiska modeller för att till fullo förstå dem. (Källa: Pixabay) En ny studie visar hur vår hjärna skapar nya minnen, utan att ta bort de äldre.
Columbiaforskare har utvecklat en ny matematisk modell som hjälper till att förklara hur den mänskliga hjärnans biologiska komplexitet gör det möjligt att lägga nya minnen utan att utplåna gamla, vilket illustrerar hur hjärnan upprätthåller minnenas trohet i år, decennier eller till och med en livstid.
olika typer av liljor och deras bilder
Denna modell kan hjälpa neurovetenskapliga forskare att utforma mer riktade studier av minne, och även stimulera framsteg inom neuromorfisk hårdvara, kraftfulla datasystem inspirerade av den mänskliga hjärnan.
Hjärnan tar ständigt emot, organiserar och lagrar minnen. Dessa processer, som har studerats i otaliga experiment, är så komplexa att forskare har utvecklat matematiska modeller för att fullt ut förstå dem, säger Stefano Fusi, tidningens seniorförfattare. Modellen som vi har utvecklat förklarar slutligen varför den biologi och kemi som ligger till grund för minnet är så komplex och hur denna komplexitet driver hjärnans förmåga att komma ihåg.
Minnen antas allmänt lagras i synapser, små strukturer på ytan av neuroner. Dessa synapser fungerar som ledningar och överför informationen inuti elektriska pulser som normalt passerar från neuron till neuron. I de tidigaste minnesmodellerna jämfördes styrkan hos elektriska signaler som passerade genom synapser med en volymknapp på en stereo; den ringde upp för att öka (eller ner för att sänka) anslutningsstyrkan mellan neuroner. Detta möjliggjorde bildandet av minnen.
Dessa modeller fungerade extremt bra, eftersom de stod för enorm minneskapacitet. Men de ställde också upp ett spännande dilemma.
vilken typ av träd är alm
Problemet med en enkel, uppringningsliknande modell för hur synapser fungerar var att man antog att deras styrka kunde ringas upp eller ner på obestämd tid, säger Dr Fusi och tillägger, men i verkligheten kan detta inte hända. Oavsett om det är volymknappen på en stereo eller något biologiskt system, måste det finnas en fysisk gräns för hur mycket den kan vrida.
När dessa gränser infördes kollapsade minneskapaciteten för dessa modeller.
Så Dr Fusi, i samarbete med andra Zuckerman Institute -utredaren Larry Abbot, erbjöd ett alternativ varje synaps är mer komplex än bara en urtavla, och borde istället beskrivas som ett system med flera rattar.
År 2005 publicerade Dr Fusi och Abbott forskning som förklarade denna idé. De beskrev hur olika urtavlor inom en synap kan fungera tillsammans för att bilda nya minnen samtidigt som de skyddar gamla. Men även den modellen, författarna senare insåg, föll under vad de trodde att hjärnan, särskilt den mänskliga hjärnan, kunde hålla.
Vi insåg att de olika synaptiska komponenterna, eller urtavlorna, inte bara fungerade vid olika tidsskalor, utan också sannolikt kommunicerade med varandra, säger Marcus Benna, den första författaren till dagens Nature Neuroscience -tidning. När vi väl lagt till kommunikationen mellan komponenter i vår modell ökade lagringskapaciteten med en enorm faktor och blev mycket mer representativ för vad som uppnås i den levande hjärnan.
Se vad som annars gör nyheter.
Dr Benna liknade komponenterna i denna nya modell med ett system med bägare kopplade till varandra genom en serie rör.
I en uppsättning sammankopplade bägare, var och en fylld med olika mängder vatten, tenderar vätskan att flöda mellan dem så att vattennivåerna blir utjämnade. I vår modell representerar bägarna de olika komponenterna i en synap, förklarade Dr Benna. Att tillsätta vätska till en av bägarna eller ta bort en del av den representerar kodningen av nya minnen. Med tiden kommer det resulterande vätskeflödet att diffundera över de andra bägarna, vilket motsvarar den långsiktiga lagringen av minnen.
Båda forskarna är hoppfulla att detta arbete kan hjälpa neurovetenskapare i laboratoriet genom att fungera som en teoretisk ram för att vägleda framtida experiment, vilket i slutändan leder till en mer fullständig och mer detaljerad karakterisering av hjärnan.
5 djur som lever i den tropiska regnskogen
Även om den synaptiska grunden för minne är väl accepterad, har det inte varit särskilt svårt på grund av Nobelpristagarens och Zuckerman Institute -kodirektör Dr Eric Kandel, att klargöra hur synapser stöder minnen under många år utan nedbrytning har varit extremt svårt, säger Dr Abbott. Dr Benna och Fusi bör fungera som en vägledning för forskare som utforskar synapsens molekylära komplexitet.
De tekniska konsekvenserna av denna modell är också lovande. Dr Fusi har länge fascinerats av neuromorf hårdvara, datorer som är utformade för att imitera en biologisk hjärna.
olika sorters växter och blommor
Idag är neuromorf hårdvara begränsad av minneskapacitet, vilket kan vara katastrofalt lågt när dessa system är utformade för att lära sig autonomt, säger Dr Fusi Att skapa en bättre modell för synaptiskt minne kan hjälpa till att lösa detta problem och påskynda utvecklingen av elektroniska enheter som är både kompakt och energieffektiv och lika kraftfull som människans hjärna.
Det här dokumentet, Computational principer för synaptisk minneskonsolidering, publiceras online i Nature Neuroscience.