Los científicos de Columbia han desarrollado un nuevo modelo matemático que ayuda a explicar cómo la complejidad biológica del cerebro humano le permite depositar nuevos recuerdos sin borrar los viejos, lo que ilustra cómo el cerebro mantiene la fidelidad de los recuerdos durante años, décadas o inclusoEste modelo podría ayudar a los neurocientíficos a diseñar estudios más específicos de memoria, y también estimular los avances en hardware neuromórfico, potentes sistemas informáticos inspirados en el cerebro humano.
Este trabajo se publica en línea en Neurociencia de la naturaleza .
"El cerebro está continuamente recibiendo, organizando y almacenando recuerdos. Estos procesos, que se han estudiado en innumerables experimentos, son tan complejos que los científicos han estado desarrollando modelos matemáticos para comprenderlos completamente", dijo Stefano Fusi, PhD, uninvestigador principal del Instituto Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de Columbia, profesor asociado de neurociencia en el Centro Médico de la Universidad de Columbia y autor principal del artículo. "El modelo que hemos desarrollado finalmente explica por qué la memoria subyacente de la biología y la química son tan complejas, ycómo esta complejidad impulsa la capacidad del cerebro para recordar "
Se cree que los recuerdos se almacenan en sinapsis, pequeñas estructuras en la superficie de las neuronas. Estas sinapsis actúan como conductos, transmitiendo la información alojada dentro de pulsos eléctricos que normalmente pasan de una neurona a otra. En los primeros modelos de memoria, la fuerza deLas señales eléctricas que pasaban a través de las sinapsis se compararon con una perilla de volumen en un estéreo; se marcó para aumentar o bajar para disminuir la fuerza de conexión entre las neuronas. Esto permitió la formación de recuerdos.
Estos modelos funcionaron extremadamente bien, ya que representaban una enorme capacidad de memoria. Pero también plantearon un dilema intrigante.
"El problema con un modelo simple, similar a un dial, de cómo funcionan las sinapsis fue que se suponía que su fuerza se podía aumentar o disminuir indefinidamente", dijo el Dr. Fusi, quien también es miembro del Centro de Neurociencia Teórica de Columbia."Pero en el mundo real esto no puede suceder. Ya sea la perilla de volumen en un estéreo o cualquier sistema biológico, tiene que haber un límite físico de cuánto podría girar".
Cuando se impusieron estos límites, la capacidad de memoria de estos modelos colapsó. Entonces, el Dr. Fusi, en colaboración con el investigador del Instituto Zuckerman, Larry Abbott, PhD, experto en modelado matemático del cerebro, ofreció una alternativa: cada sinapsis es máscomplejo que solo un dial, y en su lugar debería describirse como un sistema con múltiples diales.
En 2005, los doctores Fusi y Abbott publicaron una investigación que explicaba esta idea. Describieron cómo diferentes diales quizás representando grupos de moléculas dentro de una sinapsis podrían operar en conjunto para formar nuevos recuerdos mientras protegen los viejos. Pero incluso ese modelo, ellos autores más tarde se dieron cuenta de que no cumplían con lo que creían que el cerebro, particularmente el cerebro humano, podía soportar.
"Nos dimos cuenta de que los diversos componentes sinápticos, o diales, no solo funcionaban en diferentes escalas de tiempo, sino que probablemente también se comunicaban entre sí", dijo Marcus Benna, PhD, científico investigador asociado del Centro de Neurociencia Teórica y Centro de Columbia.el primer autor de hoy Neurociencia de la naturaleza papel. "Una vez que agregamos la comunicación entre los componentes a nuestro modelo, la capacidad de almacenamiento aumentó en un factor enorme, llegando a ser mucho más representativo de lo que se logra dentro del cerebro vivo".
El Dr. Benna comparó los componentes de este nuevo modelo con un sistema de vasos conectados entre sí a través de una serie de tubos.
"En un conjunto de vasos interconectados, cada uno lleno de diferentes cantidades de agua, el líquido tenderá a fluir entre ellos de modo que los niveles de agua se igualen. En nuestro modelo, los vasos representan los diversos componentes dentro de una sinapsis", explicóDr. Benna. "Agregar líquido a uno de los vasos de precipitados, o eliminar parte de él, representa la codificación de nuevos recuerdos. Con el tiempo, el flujo de líquido resultante se difundirá a través de los otros vasos de precipitados, lo que corresponde al almacenamiento a largo plazode recuerdos ''
Los doctores Benna y Fusi tienen la esperanza de que este trabajo pueda ayudar a los neurocientíficos en el laboratorio, actuando como un marco teórico para guiar experimentos futuros, lo que en última instancia conduce a una caracterización más completa y más detallada del cerebro.
"Si bien la base sináptica de la memoria es bien aceptada, en gran parte debido al trabajo del premio Nobel y codirector del Instituto Zuckerman Dr. Eric Kandel, aclarar cómo las sinapsis apoyan los recuerdos durante muchos años sin degradación ha sido extremadamente difícil", dijoDr. Abbott: "El trabajo de los doctores Benna y Fusi debería servir como guía para los investigadores que exploran la complejidad molecular de la sinapsis".
Las implicaciones tecnológicas de este modelo también son prometedoras. El Dr. Fusi siempre ha estado intrigado por el hardware neuromórfico, las computadoras que están diseñadas para imitar un cerebro biológico.
"Hoy en día, el hardware neuromórfico está limitado por la capacidad de memoria, que puede ser catastróficamente baja cuando estos sistemas están diseñados para aprender de forma autónoma", dijo el Dr. Fusi. "Crear un mejor modelo de memoria sináptica podría ayudar a resolver este problema, acelerandoel desarrollo de dispositivos electrónicos que sean compactos y energéticamente eficientes, y tan poderosos como el cerebro humano ".
Este documento se titula: "Principios computacionales de consolidación de memoria sináptica"
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Caritativa Gatsby, la Fundación Simons, la Fundación Swartz, la Fundación Kavli, la Fundación Grossman y las Iniciativas de Investigación de Columbia para Ciencia e Ingeniería RISE.
Los autores informan que no hay conflictos financieros u otros conflictos de intereses.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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