Los investigadores y colaboradores de Salk han logrado una visión crítica del tamaño de las conexiones neuronales, haciendo que la capacidad de memoria del cerebro sea mucho más alta que las estimaciones comunes. El nuevo trabajo también responde a una larga pregunta sobre cómo el cerebro es tan eficiente en energía y podría ayudarlos ingenieros construyen computadoras que son increíblemente poderosas pero que también conservan energía.
"Esta es una verdadera bomba en el campo de la neurociencia", dice Terry Sejnowski, profesor de Salk y coautor principal del artículo, que se publicó en eLife . "Descubrimos la clave para desbloquear el principio de diseño de cómo funcionan las neuronas del hipocampo con baja energía pero alto poder de cálculo. Nuestras nuevas mediciones de la capacidad de memoria del cerebro aumentan las estimaciones conservadoras en un factor de 10 a al menos un petabyte, en elmismo estadio que la World Wide Web "
Nuestros recuerdos y pensamientos son el resultado de patrones de actividad eléctrica y química en el cerebro. Una parte clave de la actividad ocurre cuando las ramas de las neuronas, al igual que el cable eléctrico, interactúan en ciertas uniones, conocidas como sinapsis. Un cable de salida"un axón de una neurona se conecta a un" cable "de entrada una dendrita de una segunda neurona. Las señales viajan a través de la sinapsis como sustancias químicas llamadas neurotransmisores para decirle a la neurona receptora si debe transmitir una señal eléctrica a otras neuronas. Cada neuronapuede tener miles de estas sinapsis con miles de otras neuronas.
"Cuando reconstruimos por primera vez cada dendrita, axón, proceso glial y sinapsis a partir de un volumen de hipocampo del tamaño de un solo glóbulo rojo, nos sorprendió un poco la complejidad y diversidad entre las sinapsis", dice Kristen Harris, co-autor principal del trabajo y profesor de neurociencia en la Universidad de Texas, Austin. "Aunque esperaba aprender los principios fundamentales sobre cómo se organiza el cerebro a partir de estas reconstrucciones detalladas, me sorprendió la precisión obtenida en los análisisde este informe "
Las sinapsis siguen siendo un misterio, aunque su disfunción puede causar una variedad de enfermedades neurológicas. Las sinapsis más grandes, con más área de superficie y vesículas de neurotransmisores, son más fuertes, lo que las hace más propensas a activar las neuronas circundantes que las sinapsis medianas o pequeñas.
El equipo de Salk, mientras construía una reconstrucción en 3D del tejido del hipocampo de rata el centro de memoria del cerebro, notó algo inusual. En algunos casos, un solo axón de una neurona formó dos sinapsis que se extendían a una única dendrita de un segundoneurona, lo que significa que la primera neurona parecía estar enviando un mensaje duplicado a la neurona receptora.
Al principio, los investigadores no pensaron mucho en esta duplicidad, que ocurre aproximadamente el 10 por ciento del tiempo en el hipocampo. Pero Tom Bartol, un científico del personal de Salk, tuvo una idea: si pudieran medir la diferencia entre dos muysinapsis similares como estas, podrían obtener información sobre tamaños sinápticos, que hasta ahora solo se habían clasificado en el campo como pequeños, medianos y grandes.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron microscopía avanzada y algoritmos computacionales que habían desarrollado para obtener imágenes de cerebros de ratas y reconstruir la conectividad, las formas, los volúmenes y el área de superficie del tejido cerebral hasta un nivel nanomolecular.
Los científicos esperaban que las sinapsis fueran más o menos similares en tamaño, pero se sorprendieron al descubrir que las sinapsis eran casi idénticas.
"Nos sorprendió descubrir que la diferencia en el tamaño de los pares de sinapsis era muy pequeña, en promedio, solo un ocho por ciento de tamaño diferente. Nadie pensó que sería una diferencia tan pequeña.naturaleza ", dice Bartol.
Debido a que la capacidad de memoria de las neuronas depende del tamaño de la sinapsis, esta diferencia del ocho por ciento resultó ser un número clave que el equipo podría conectar a sus modelos algorítmicos del cerebro para medir cuánta información podría almacenarse potencialmente en conexiones sinápticas.
Antes se sabía que el rango de tamaños entre las sinapsis más pequeñas y más grandes era un factor de 60 y que la mayoría son pequeñas.
Pero armado con el conocimiento de que las sinapsis de todos los tamaños pueden variar en incrementos tan pequeños como ocho por ciento entre tamaños dentro de un factor de 60, el equipo determinó que podría haber alrededor de 26 categorías de tamaños de sinapsis, en lugar de solo unas pocas.
"Nuestros datos sugieren que hay 10 veces más tamaños discretos de sinapsis de lo que se pensaba anteriormente", dice Bartol. En términos informáticos, 26 tamaños de sinapsis corresponden a aproximadamente 4,7 "bits" de información. Anteriormente, se pensaba que el cerebro eracapaz de solo uno o dos bits para almacenamiento de memoria corto y largo en el hipocampo.
"Esto es aproximadamente un orden de magnitud de precisión más de lo que nadie haya imaginado", dice Sejnowski.
Lo que hace que esta precisión sea desconcertante es que las sinapsis del hipocampo son notoriamente poco confiables. Cuando una señal viaja de una neurona a otra, generalmente activa esa segunda neurona solo del 10 al 20 por ciento del tiempo.
"Muchas veces nos preguntamos cómo la notable precisión del cerebro puede salir de esas sinapsis poco confiables", dice Bartol. Parece que una respuesta es el ajuste constante de las sinapsis, promediando sus tasas de éxito y fracaso con el tiempo.El equipo usó sus nuevos datos y un modelo estadístico para descubrir cuántas señales tomaría un par de sinapsis para llegar a esa diferencia del ocho por ciento.
Los investigadores calcularon que para las sinapsis más pequeñas, aproximadamente 1,500 eventos causan un cambio en su tamaño / capacidad 20 minutos y para las sinapsis más grandes, solo un par de cientos de eventos de señalización 1 a 2 minutos causan un cambio.
"Esto significa que cada 2 o 20 minutos, sus sinapsis están subiendo o bajando al siguiente tamaño. Las sinapsis se están ajustando según las señales que reciben", dice Bartol.
"Nuestro trabajo anterior había insinuado la posibilidad de que las espinas y los axones que sinapsisen juntos fueran de tamaño similar, pero la realidad de la precisión es realmente notable y sienta las bases para nuevas formas de pensar sobre cerebros y computadoras", diceHarris. "El trabajo resultante de esta colaboración ha abierto un nuevo capítulo en la búsqueda de mecanismos de aprendizaje y memoria". Harris agrega que los hallazgos sugieren más preguntas para explorar, por ejemplo, si se aplican reglas similares para las sinapsis en otras regiones del cerebroy cómo esas reglas difieren durante el desarrollo y a medida que cambian las sinapsis durante las etapas iniciales de aprendizaje.
"Las implicaciones de lo que encontramos son de largo alcance", agrega Sejnowski. "Oculto bajo el aparente caos y desorden del cerebro hay una precisión subyacente en el tamaño y las formas de las sinapsis que nos ocultaban".
Los hallazgos también ofrecen una explicación valiosa para la sorprendente eficiencia del cerebro. El cerebro adulto despierto genera solo unos 20 vatios de potencia continua, tanto como una bombilla muy tenue. El descubrimiento de Salk podría ayudar a los científicos informáticos a desarrollar energía ultraprecisa, pero-eficientes, computadoras, particularmente las que emplean "aprendizaje profundo" y redes neuronales artificiales - técnicas capaces de aprendizaje y análisis sofisticados, como el habla, el reconocimiento de objetos y la traducción.
"Este truco del cerebro señala absolutamente una forma de diseñar mejores computadoras", dice Sejnowski. "El uso de la transmisión probabilística resulta ser tan preciso y requiere mucha menos energía tanto para las computadoras como para los cerebros".
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Materiales proporcionado por Instituto Salk . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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