Nový model strojového učení ukazuje, že mozkové buňky ve tvaru hvězdy (astrocyty) mohou být zodpovědné za paměťovou kapacitu mozku. Mohly by též inspirovat pokrok v oblasti umělé inteligence a výzkumu Alzheimerovy choroby. Jedinečná anatomická struktura astrocytů poskytuje velmi přirozený a lákavý způsob, jak navrhnout tyto velké systémy pro ukládání informací v biologickém hardwaru.
Lucifer
Po desetiletí se vědci domnívali, že jedinými tvůrci myšlení a paměti v mozku jsou neurony, ale nový výzkum nyní naznačuje, že jiný, často přehlížený typ mozkových buněk může hrát v paměti větší roli, než se dosud myslelo. Studie publikovaná v květnu v časopise PNAS předpokládá, že tyto další mozkové buňky, zvané astrocyty, by mohly být zodpovědné za impozantní kapacitu mozku pro ukládání vzpomínek prostřednictvím nově objeveného druhu síťové architektury.
Astrocyty jsou hvězdicovité buňky, které v mozku plní mnoho údržbových úkolů, včetně odstraňování buněčných zbytků, zásobování neuronů živinami a regulace průtoku krve. Mají také tenké rozvětvené struktury, známé jako výběžky, které se ovíjejí kolem míst, kde si neurony vyměňují zprávy. Toto ovinutí vytváří tzv. trojstrannou synapsi zahrnující dva spojené neurony a astrocyt.
Astrocyty nepřenášejí elektrické impulzy jako neurony. Místo toho komunikují prostřednictvím vápníkové signalizace, kdy vysílají vlny nabitých částic vápníku uvnitř buněk a mezi nimi. Studie ukázaly, že astrocyty reagují na synaptickou aktivitu změnou vnitřní hladiny vápníku. Tyto změny pak mohou vyvolat uvolňování chemických poslů z astrocytu do synapse.
Tyto procesy fungují jako malé vápníkové počítače, které vnímají, kdy je informace vyslána přes synapsi, předávají tuto informaci dalším procesům a na oplátku dostávají zpětnou vazbu. Nakonec se tento řetězový e-mail dostane zpět k neuronům, které následně upraví svou aktivitu. Vědci však zatím plně nerozumějí přesným výpočetním funkcím, které astrocyty vykonávají s informacemi, jež dostávají od neuronů.
Pro lepší pochopení této funkce bylo třeba se zaměřit na architektury strojového učení, které jsou schopny reprezentovat komplexní interakce mezi mnoha aktéry, a nikoli zachycovat pouze jednoduchá spojení mezi dvojicemi jednotek. Tradiční sítě strojového učení, které propojují pouze dvojice neuronů, mohou kódovat jen omezené informace. Vzhledem k tomu, že jediný astrocyt se může připojit k tisícům synapsí, předpokládá se, že astrocyty mohou zprostředkovávat komunikaci napříč všemi těmito spojeními. To by mohlo vysvětlit, jak mozek dosahuje svých obrovských úložných schopností.
Jedinečná anatomická struktura astrocytů poskytuje velmi přirozený a lákavý způsob, jak navrhnout tyto velké systémy pro ukládání informací v biologickém hardwaru. Nový model předpokládá, že astrocyty ukládají vzpomínky prostřednictvím postupných změn svých vnitřních vápníkových vzorců a že tyto vzorce jsou pak zpětně překládány do signálů, které se posílají do neuronů ve formě chemických poslů. V tomto modelu funguje každý proces astrocytu, nikoliv celá buňka, jako samostatná výpočetní jednotka. Model nepotřebuje mnoho neuronů k uložení velkého množství vzpomínek. To je významná výhoda z hlediska energetické účinnosti, protože neurony jsou metabolicky „drahé“.
Model také nabízí potenciální terapeutické možnosti pro neurodegenerativní onemocnění. Je známo, že astrocyty se podílejí na Alzheimerově chorobě a dalších poruchách paměti. Poskytuje výpočetní pohled na to, co by mohlo být špatně. Přesná modulace propojení astrocytárních procesů nebo signalizace by mohla obnovit nebo kompenzovat ztracené paměťové funkce.
Kromě neurovědy může tento model najít uplatnění i v umělé inteligenci. Mohl by výzkumníkům pomoci při vytváření hardwarových systémů podobných mozku. Takové systémy by mohly využívat husté paměťové architektury, které by jim umožnily ukládat obrovské množství informací a efektivně je vyvolávat s velmi malou spotřebou energie, stejně jako to dělá náš mozek. Toho by se dalo využít pro širokou škálu aplikací, jako je rozpoznávání hlasu, robotika a autonomní systémy, asistenti umělé inteligence nebo rozhraní mezi mozkem a strojem a „neuroprotetika“.
Zdroj: Live Science, Star-shaped brain cells may underpin the brain's massive memory storage
15.06.2025, 00:00:00 Publikoval Luciferkomentářů: 0