Спорт и Здоровье

Объём памяти мозга способен вместить всю информацию интернета, так как находится в диапазоне петабайтов (1 петабайт = 1000 терабайт). К такому выводу пришли учёные, изучив результаты нового исследования. Данная научная работа приоткрывает завесу тайны энергоэффективности мозга и может помочь инженерам создать новое поколение сверхмощных компьютеров.

На фото: компьютерная реконструкция мозговой ткани в гиппокампе, сделанная с целью изучения размеров соединений (синапсов). Чем больше синапсов, тем больше вероятность того, что нейрон передаст сигнал к соседнему нейрону. Учёные обнаружили, что существуют дублирующие синапсы, а также 26 категорий изменения их размеров, благодаря чему мозг имеет гораздо большую ёмкость хранения информации, чем считалось ранее. Изображение демонстрирует синапс между аксоном (зеленый) и дендритом (желтый).

«Это настоящая бомба в области неврологии,» говорит Терри Сейновски, профессор Института Солка (США), где было сделано открытие, и соавтор последующей статьи, опубликованной в журнале eLife. «Мы обнаружили ключ к разгадке того, как нейроны гиппокампа функционируют при низкой энергии, но с большой мощностью вычислений. Наши новые измерения увеличения объёма памяти мозга выявляют величину в диапазоне петабайтов, в тех же размерах, как и у мирового интернета».

Наши воспоминания и мысли являются результатом закономерности электрической и химической активности в головном мозге. Ключевая часть деятельности происходит, когда ветви нейронов, так же, как электрический провод, взаимодействуют на определенных перекрестках, известных как синапсы. Выходной «провод» (аксон) от одного нейрона подключается к входному (дендриту) второго нейрона. Сигналы путешествуют от нейрона к нейрону через синапсы в виде химических веществ, называемых нейромедиаторами. Каждый нейрон может иметь тысячи таких синапсов с тысячами других нейронов.

«Когда мы впервые реконструировали каждый дендрит, аксон, глиальный процесс, и синапс от объёма гиппокампа размером с одну красную кровяную клетку, мы были несколько сбиты с толку сложностью и разнообразием среди синапсов», говорит Кристен Харрис, cоавтор работы, профессор неврологии в Университете Техаса, Остин. «В то время как я надеялся узнать основные принципы того, как мозг организован из этих детальных реконструкций, я был действительно поражен точностью, полученной в анализе данного отчета».

Синапсы до сих пор остаются загадкой, хотя их дисфункция может вызвать целый ряд неврологических заболеваний. Большие синапсы, с большей площадью поверхности — сильнее, что делает их более способными активировать окружающие их нейроны, чем средние и малые синапсы.

Во время моделирования 3D-реконструкции гиппокампа крысы команда исследователей Института Солка заметила что-то необычное. В некоторых случаях один аксон от одного нейрона образовывал два синапса, обращённых к одному дендриту второго нейрона. Это означает, что первый нейрон отправляет дубликат сообщения принимающему нейрону. Как известно, гиппокамп является центром памяти мозга, что означает что возможности памяти, за счёт увеличенного количества синапсов, значительно больше, чем считали раньше.

Учёные измерили разницу между двумя синапсами, идущими от одного нейрона, чтобы лучше понять синаптические размеры, которые до этого условно разделялись только на маленькие, средние и большие. Для этого исследователи использовали передовые технологии микроскопии и вычислительные алгоритмы. В результате мозговая ткань крысы была рассмотрена на уровне наномолекулярных размеров.

Учёные ожидали, что синапсы будут примерно одинаковые по размеру, но они очень удивились узнав, что синапсы практически идентичны. «Мы были поражены, обнаружив, что разница в размерах пар синапсов очень мала, в среднем, только около восьми процентов», говорят учёные.

Поскольку объём памяти нейронов зависит от размера синапсов, эта разница в восемь процентов оказалась ключевым числом, так как исследователи затем использовали его для расчётов алгоритмической модели мозга, чтобы узнать, сколько информации может потенциально храниться в синаптических связях.

Раньше считалось, что диапазон размеров между мелкими и крупными синапсами является фактором 60 и что большинство из них малы. Но вооружившись новыми знаниями о размерах синапсов, которые могут меняться с небольшой разницей в восемь процентов в течении 60 раз, исследователи определили, что существуют 26 категорий размеров синапсов, способных накапливать различные объёмы информации.

Результаты исследования также предлагают важное объяснение удивительной энергоэффективности мозга. Бодрствующий мозг взрослого человека генерирует только около 20 ватт непрерывной мощности — столько же, сколько потребляла бы очень тусклая или энергосберегающая лампочка. Открытие учёных может способствовать созданию новых сверхточных, но энергоэффективных компьютеров, которые окажутся необходимы особенно в той сфере, где проводятся сложнейшие вычислительные операции и подробное изучение, включающее анализ речи, распознавание объектов и перевод.

Источник: Science Daily