Nova model MIT domneva, da lahko astrociti, ki so bili doslej šteti za pomožne celice, igrajo ključno vlogo pri shranjevanju spomina, saj po zmogljivosti in učinkovitosti presegajo nevrone.
Včasih se glavni junaki najbolj presenetljivih zgodb izkažejo za tiste, ki jih nismo pričakovali. Desetletja je nevrobiologija pozornost posvečala skoraj izključno nevronom: zvezdam živčnega sistema, odgovornim za prenos in sprejemanje signalov, gradnjo misli in oblikovanje spominov. V ozadju možganov pa obstajajo druge celice, ki so veliko številčnejše in doslej veliko manj raziskane.
Kaj pa, če naš spomin ni odvisen samo od nevronov, ampak tudi od njihovih nevidnih pomočnikov? To bi pojasnilo, kako se oblikujejo spomini iz otroštva, kar bi bilo prava revolucija. Raziskovalci iz MIT in IBM so predstavili provokativno idejo: astrocit –tip glialnih celic, ki se tradicionalno štejejo za pomožne – so lahko ključni elementi pri shranjevanju spominov. To ni le intuicija: gre za zapleten matematični in biološki model, ki kaže na radikalno spremembo v našem razumevanju uma.
Astrocit: veliki neznanci možganov
Astrocit niso redki v možganih, ampak so najpogostejša vrsta celic. Čeprav je bila njihova klasična funkcija ohranjanje kemijskega ravnovesja, čiščenje odpadkov in oskrba nevronov s hranili in kisikom, so nove raziskave pokazale, da počnejo veliko več. Astrocitov imajo izrastke, ki lahko obdajajo sinapse – točke povezave med nevroni – in tvorijo strukture, imenovane tristranske sinapse.
En astrocit lahko pride v stik z več kot milijonom sinaps, s čimer ustvari ogromno mrežo interakcij, ki prej ni veljala za funkcionalno. Dolgo časa se je menilo, da astrociti le pasivno »poslušajo«. Vendar so nedavne raziskave pokazale, da lahko zaznavajo nevronsko aktivnost in se nanjo odzivajo z izločanjem gliotransmiterjev – molekul, ki neposredno vplivajo na signal, ki se prenaša med nevroni.
Revolucionarna hipoteza: spomin zunaj nevronov
Nova raziskava, objavljena v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences, predlaga računalniški model, ki temelji na teh funkcijah astrocitov. Po mnenju avtorjev je sposobnost shranjevanja spominov lahko delno v mreži astroglialnih procesov in ne le v nevronskih sinapsah, kot se je doslej menilo.
Avtorji domnevajo, da astrociti izvajajo izračune, ki se oblikujejo pod vplivom notranjih spremenljivih signalnih poti. Ta trditev ni brez podlage: temelji na matematičnem modelu asociativnega spomina, navdihnjenem z umetnimi nevronskimi mrežami. Gre za razširitev Hopfieldovih mrež, ki so igrale pomembno vlogo v teoretični nevrobiologiji in razvoju umetne inteligence.
Novost je v tem, da ta novi model integrira astrocite kot računske enote, ki lahko močno povečajo zmogljivost omrežja. To storijo zaradi svoje sposobnosti prenašanja kalcija znotraj celice in hkratnega izmenjevanja informacij z mnogimi sinapsami.
Od umetnih omrežij do človeškega možgana
Razvit model spada v razred, imenovan »gosta asociativna pomnilnika« (Dense Associative Memories). Ta omrežja premagujejo omejitve tradicionalnih Hopfieldovih omrežij, ki omogočajo shranjevanje le relativno majhnega števila vzorcev. V nasprotju z njimi model MIT z vključitvijo astrocitov kot medsebojno povezanih vozlišč kaže skalabilno rast pomnilnika: več astrocitov, več možnosti za shranjevanje.
„Naše delo kaže, da nevronno-astrocitne mreže sledijo zakonu skaliranja pomnilnika višjega reda,” piše v članku. To pomeni, da vsaka nova enota ne le dodaja informacije, ampak tudi pomnoži zmogljivost spomina. Raziskovalci trdijo, da je to izboljšanje posledica shranjevanja spominov v notranjem omrežju procesov astrocitov, ne le v sinaptičnih povezavah.
Z drugimi besedami, astrociti zagotavljajo ne le prostornino, ampak tudi strukturo, ki omogoča učinkovitejše shranjevanje in obnovitev vzorcev možganske aktivnosti. To odkritje ni v nasprotju s teorijo engrama – idejo, da se spomini shranjujejo v določenih skupinah nevronov, ki se aktivirajo med učenjem –, ampak jo dopolnjuje.
Kako astrociti vplivajo na delovanje možganov?
Ta predlog temelji na matematičnem konceptu: funkciji energije. V modelih tega tipa je vsak spomin povezan z »minimalno« količino energije v abstraktnem prostoru. Ko aktivirajo del tega spomina, možganska aktivnost naravno stremi k dokončanju vzorca in nas pripelje do popolnega spomina. To je eden od načinov za razlago pojavov, kot sta prepoznavanje ali spontano spominjanje.
Zanimiva lastnost novega modela je, da uvaja interakcije štirih elementov prek mreže astroglialnih procesov, kar omogoča veliko bolj zapleteno in učinkovito kodiranje. Obstoj tenzorja T, matematične strukture, ki predstavlja te povezave, je ključnega pomena za razumevanje, kako lahko astrociti olajšajo interakcije med oddaljenimi sinapsami in s tem prispevajo k ustvarjanju močnejših spominskih mrež.
Poleg tega avtorji pojasnjujejo, da je ta sistem v simulacijah sposoben popravljati napake in celo dopolnjevati delno popačene slike ali zvoke. To pomeni, da ne le shranjuje več informacij, ampak to tudi počne z večjo zanesljivostjo in prilagodljivostjo.
Posledice za nevrobiologijo in umetno inteligenco
Ta model neposredno izpodbija enega od temeljnih postulatov nevrobiologije: da so sinapse med nevroni edini substrat spomina. Če se potrdi, da tudi astrociti shranjujejo informacije, bo treba prepisati znaten del učbenikov nevrobiologije.
Poleg tega so povezave med tem modelom in najnaprednejšimi sistemi umetne inteligence presenetljive. Ekipa domneva, da lahko njena arhitektura interpolira med gostimi asociativnimi spomini in mehanizmi pozornosti, kot so tisti, ki se uporabljajo v transformatorjih, omrežjih, na katerih temeljijo modeli tipa ChatGPT.
To odpira nepričakovano možnost: boljše razumevanje vloge astrocitov v možganih nam lahko pomaga ustvariti boljše algoritme umetne inteligence. In obratno, računalniški modeli, navdihnjeni z biologijo, nam lahko pomagajo odkriti skrivnosti, ki jih naš um še skriva.
Kako preveriti to teorijo?
Naslednji korak je po mnenju avtorjev eksperimentalni. Da bi preverili verodostojnost modela, je treba manipulirati z notranjimi povezavami astroglialnih procesov in opazovati, kako to vpliva na spomin. Čeprav je to tehnično zahtevno, ni nemogoče s sodobnimi orodji molekularne nevrobiologije.
Predlagajo tudi, da se model prilagodi glede na dejanske fiziološke podatke, na primer, da se povezave omejijo le na astroglialne procese, ki so blizu drug drugemu. To bi omogočilo, da bi simulacija bila bližje opazovanemu vedenju možganov in potrdila, ali astrociti res aktivno sodelujejo pri oblikovanju spominov.
„Naš model napoveduje, da bo oviranje širjenja kalcija prek astrocitov znatno otežilo obnovitev spominov,” pojasnjujejo avtorji. Če bodo prihodnji poskusi potrdili to hipotezo, bomo priča revoluciji v razumevanju delovanja možganov.
