Anna Forés Miravalles

Per seguir somiant

La capacidad de memoria del cerebro es 10 veces más lo que se pensaba

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http://www.salk.edu/news-release/memory-capacity-of-brain-is-10-times-more-than-previously-thought/

Datos del Instituto Salk muestra la capacidad de la memoria del cerebro se encuentra en el rango de petabyte, tanto como en toda la Web

LA JOLLA-investigadores del Salk y colaboradores han logrado una visión crítica del tamaño de las conexiones neuronales, poniendo la capacidad de memoria del cerebro mucho más alta que las estimaciones comunes. El nuevo trabajo también responde a una pregunta de larga data en cuanto a cómo el cerebro es tan eficiente en energía y podría ayudar a los ingenieros a construir los equipos que son increíblemente poderosa, pero también conservan la energía.

“Esto es una bomba en el campo de la neurociencia”, dice Terry Sejnowski, profesor Salk y co-autor principal del artículo, que fue publicado en eLife. “Hemos descubierto la clave para desbloquear el principio de diseño de cómo las neuronas del hipocampo funcionar con baja energía, pero un alto poder de cómputo. Nuestras nuevas mediciones de la capacidad de memoria del cerebro aumentan estimaciones conservadoras por un factor de 10 a por lo menos un petabyte, en el mismo estadio de béisbol como la World Wide Web. ”

Nuestros recuerdos y los pensamientos son el resultado de los patrones de actividad eléctrica y química en el cerebro. Una parte fundamental de la actividad que ocurre cuando las ramas de las neuronas, al igual que el cable eléctrico, interactúan en ciertos cruces, conocidas como sinapsis. Un “alambre ‘de salida (un axón) de una neurona se conecta a un’ alambre ‘de entrada (una dendrita) de una segunda neurona. Las señales viajan a través de la sinapsis como sustancias químicas llamadas neurotransmisores para contar la neurona receptora ya sea para transmitir una señal eléctrica a otras neuronas. Cada neurona puede tener miles de estas sinapsis con miles de otras neuronas.

“La primera vez reconstruido cada dendritas, axón, proceso de la glía, y sinapsis de un volumen de hipocampo del tamaño de un glóbulo rojo, estábamos un poco confundidos por la complejidad y diversidad entre las sinapsis”, dice Kristen Harris, co-mayor autor de la obra y profesor de neurociencia en la Universidad de Texas, Austin . “A pesar de lo que había esperado para aprender los principios fundamentales acerca de cómo el cerebro está organizado a partir de estas reconstrucciones detalladas, he sido realmente sorprendido por la precisión obtenida en los análisis de este informe.”

Las sinapsis son todavía un misterio, a pesar de su disfunción puede causar una variedad de enfermedades neurológicas .Sinapsis-con más superficie y las vesículas de neurotransmisores más grandes-son más fuertes, haciéndolos más propensos a activar sus neuronas circundantes que sinapsis medianos o pequeños.

El equipo de Salk, mientras que la construcción de una reconstrucción en 3D de 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 llegar a una sola dendrita de una segunda neurona, lo que significa que la primera neurona parecía estar enviando un mensaje duplicado de la neurona receptora.

En un primer momento, los investigadores no creen que gran parte de esta duplicidad, que se produce alrededor del 10 por ciento del tiempo en el hipocampo. Pero Tom Bartol, un científico del personal Salk, tuvo una idea: si podían medir la diferencia entre dos sinapsis muy similares como estos, pueden recoger una idea de tamaños sinápticas, que hasta ahora sólo habían sido clasificados en el campo como pequeñas, medianas y grande.

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En una reconstrucción computacional de tejido cerebral en el hipocampo, los científicos Salk y científicos UT-Austin encontraron la ocurrencia inusual de dos sinapsis desde el axón de una neurona (tira negro translúcido) formar en dos espinas en la misma dendrita de una segunda neurona (amarillo ). terminales separados de axón de una neurona se muestran en contacto sináptico con dos espinas (flechas) en la misma dendrita de una segunda neurona en el hipocampo. Los volúmenes de la cabeza de la columna vertebral, las áreas de contacto sinápticas (rojo), diámetros de cuello (gris) y número de vesículas presinápticas (esferas blancas) de estos dos sinapsis son casi idénticos.Haga clic aquí una imagen de alta resolución para.

Crédito: Salk Institute

Para ello, los investigadores utilizaron la microscopía avanzada y algoritmos computacionales que habían desarrollado para obtener imágenes de los cerebros de ratas y reconstruir el área del tejido cerebral conectividad, formas, volúmenes y superficie hasta un nivel nanomolecular.

Los científicos esperaban las sinapsis serían más o menos similar en tamaño, pero se sorprendieron al descubrir las sinapsis fueron casi idénticos.

“Nos quedamos sorprendidos de encontrar que la diferencia en los tamaños de los pares de las sinapsis eran muy pequeñas, en promedio, sólo el ocho por ciento de diferente tamaño. Nadie pensó que sería una pequeña diferencia. Esta fue una curva de la naturaleza “, dice Bartol.

Debido a que la capacidad de memoria de las neuronas depende del tamaño de la sinapsis, esta diferencia de ocho por ciento resultó ser un número de clave del equipo podría entonces tapar en sus modelos algorítmicos del cerebro para medir la cantidad de información potencialmente podrían ser almacenadas en las conexiones sinápticas.

Se sabía antes de que el rango de tamaños entre las sinapsis menor y el mayor era un factor de 60 y que la mayoría son pequeños.

Pero armado con el conocimiento de que las sinapsis de todos los tamaños pueden variar en incrementos tan pequeños como un ocho por ciento entre los tamaños dentro de un factor de 60, el equipo determinó que podría haber cerca de 26 categorías de tamaños de las sinapsis, en lugar de sólo unos pocos.

“Nuestros datos sugieren que hay 10 veces más tamaños discretos de sinapsis que se pensaba anteriormente”, dice Bartol. En términos informáticos, 26 tamaños de las sinapsis corresponden a unos 4,7 “bits” de información. Anteriormente, se pensaba que el cerebro era capaz de sólo uno o dos bits para el almacenamiento de la memoria a corto y largo en el hipocampo.

“Esto es aproximadamente un orden de magnitud de la precisión más que nadie ha imaginado nunca”, dice Sejnowski.

Lo que hace esta precisión desconcertante es que las sinapsis del hipocampo son notoriamente poco fiables. Cuando una señal se desplaza desde una neurona a otra, por lo general activa que segunda neurona sólo del 10 al 20 por ciento del tiempo.

“A menudo nos habíamos preguntado cómo el notable precisión del cerebro puede salir de estas sinapsis no fiables”, dice Bartol.Una respuesta, al parecer, está en el ajuste constante de las sinapsis, con un promedio de sus tasas de éxito y fracaso en el tiempo. El equipo utilizó sus nuevos datos y un modelo estadístico para averiguar la cantidad de señales que tomaría un par de sinapsis para llegar a dicha diferencia de ocho por ciento.

Los investigadores calcularon que para las sinapsis más pequeños, alrededor de 1.500 eventos causan un cambio en su tamaño / capacidad (20 minutos) y para las sinapsis más grandes, sólo un par de cientos de eventos de señalización (de 1 a 2 minutos) causan un cambio.

“Esto significa que cada 2 o 20 minutos, sus sinapsis van hacia arriba o hacia abajo para el siguiente tamaño. Las sinapsis están ajustando a sí mismos de acuerdo a las señales que reciben “, dice Bartol.

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De izquierda a derecha: Terry Sejnowski, Cailey Bromer y Tom BartolHaga clic aquí una imagen de alta resolución para.

Crédito: Salk Institute

“Nuestro trabajo previo había insinuado la posibilidad de que las espinas y los axones que hacen sinapsis en conjunto serían similares en tamaño, pero la realidad de la precisión es verdaderamente notable y sienta las bases para nuevas maneras de pensar acerca cerebros y computadoras”, dice Harris. “El trabajo resultante de esta colaboración ha abierto un nuevo capítulo en la búsqueda de mecanismos de aprendizaje y memoria.” Harris añade que los hallazgos sugieren más preguntas para explorar, por ejemplo, si se aplican normas similares para las sinapsis en otras regiones del cerebro y cómo dicha normativa difiera durante el desarrollo y como sinapsis cambian durante las etapas iniciales del aprendizaje.

“Las implicaciones de lo que encontramos son de largo alcance”, añade Sejnowski. “Escondido bajo la aparente caos y el desorden del cerebro es una precisión subyacente al tamaño y la forma de sinapsis que estaba oculto a nosotros.”

Los resultados también ofrecen una explicación valiosa para la eficiencia sorprendente del cerebro. El cerebro adulto despertar genera sólo unos 20 vatios de potencia continua, tanto como una bombilla de luz muy tenue. El descubrimiento podría ayudar a los científicos de Salk equipo de generación UltraPrecise, pero, ordenadores de bajo consumo, particularmente los que emplean “aprendizaje profundo” y redes neuronales artificiales-técnicas capaces de aprender y análisis sofisticados, como el habla, el reconocimiento de objetos y la traducción.

“Este truco del cerebro señala absolutamente a una manera de mejorar el diseño de los equipos,” dice Sejnowski. “El uso de la transmisión probabilístico resulta ser lo más precisa y requiere mucha menos energía para ambos equipos y el cerebro.”

Otros autores del artículo fueron Cailey Bromer del Instituto Salk; Justin Kinney del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro ; y Michael A. Chirillo y Jennifer N. Bourne de la Universidad de Texas, Austin.

El trabajo fue apoyado por el NIH y el Instituto Médico Howard Hughes .

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