Мозг человека состоит из 86 миллиардов нейронов. Эти клетки генерируют электрические импульсы, которые помогают сохранять воспоминания, передавать информацию и управлять процессами в нервной системе.

Но кроме нейронов есть еще астроциты — звездообразные клетки с множеством отростков, которые взаимодействуют с миллионами нейронов. Раньше считалось, что они просто поддерживают работу мозга, но последние исследования показали: астроциты могут участвовать в формировании памяти и других когнитивных функциях.

Ученые из MIT предложили новую гипотезу: как именно астроциты помогают хранить воспоминания. Их модель объясняет, почему мозг обладает такой огромной емкостью памяти — гораздо большей, чем можно было бы ожидать, если бы за все отвечали только нейроны.

Изначально думали, что астроциты просто убирают «мусор» вокруг нейронов, но эволюция могла пойти дальше. Каждый астроцит контактирует с сотнями тысяч синапсов, а значит, может участвовать в вычислениях, — говорит Жан-Жак Слотин, профессор MIT и соавтор исследования.

Главный автор работы — Дмитрий Кротов из MIT-IBM Watson AI Lab. Основные выводы опубликованы в PNAS.

Как это работает

Астроциты выполняют множество вспомогательных функций:

• Удаляют продукты распада.
• Снабжают нейроны питательными веществами.
• Регулируют кровоснабжение.

Но самое интересное — их отростки обвивают синапсы (места контакта нейронов), образуя трехкомпонентные структуры. Если нарушить связь между астроцитами и нейронами в гиппокампе, ухудшается запоминание и воспроизведение информации.

Нейроны обмениваются данными через электрические импульсы, а астроциты — через колебания кальция. Когда нейрон активируется, астроцит «чувствует» это и меняет уровень кальция, что может привести к выбросу сигнальных молекул (глиотрансмиттеров) в синапс.

Получается замкнутый круг: нейроны влияют на астроциты, а те — обратно на нейроны. Но что именно вычисляют астроциты — пока загадка, — объясняет Лео Козачков, ведущий автор исследования.

Чтобы разобраться, ученые использовали модель Хопфилда — тип нейросети, способной запоминать и воспроизводить паттерны. Обычные сети Хопфилда не могут объяснить феноменальную память мозга, но их модификация — ассоциативная память высокой плотности — справляется лучше. Проблема в том, что для этого нужно, чтобы в одном синапсе взаимодействовало много нейронов, а в реальности синапс связывает лишь два.

Здесь на сцену выходят астроциты.

Один астроцит может соединяться с множеством нейронов, создавая «мост» для передачи информации. Новая модель показывает, что такая система хранит гораздо больше данных, чем классическая сеть Хопфилда.

Ученые предполагают, что внутри астроцитов воспоминания кодируются через изменения в потоках кальция, а затем передаются нейронам через глиотрансмиттеры.

Если правильно скоординировать кальциевые сигналы и их влияние на нейроны, можно добиться колоссального увеличения емкости памяти, — говорит Козачков.

Ключевая идея: астроциты работают не как единое целое, а как сеть независимых отростков, каждый из которых — отдельный вычислительный элемент. Это делает систему не только мощной, но и энергоэффективной.

Если представить, что три элемента синапса (астроцит + два нейрона) — это базовая вычислительная единица мозга, то такая сеть может хранить практически неограниченное количество паттернов, — комментирует Маурицио Де Питта из Университета Торонто.

Чтобы проверить гипотезу, нужно научиться точно управлять связями между отростками астроцитов и смотреть, как это влияет на память.

Надеюсь, наша работа вдохновит экспериментаторов на новые исследования, — говорит Кротов.

Кроме понимания работы мозга, эта модель может помочь в развитии искусственного интеллекта. Например, меняя структуру связей между «отростками» в нейросетях, можно создавать более эффективные алгоритмы.

Современный ИИ давно отошел от биологических аналогий, но, возможно, именно нейробиология снова подскажет нам новые решения, — заключает Слотин.

Польза исследования

Этот прорыв может:

• Объяснить природу памяти — почему мозг хранит так много информации без перегрузки.
• Помочь в лечении болезней — если астроциты действительно участвуют в памяти, их дисфункция может быть причиной деменции.
• Улучшить ИИ — новые модели нейросетей, вдохновленные астроцитами, могут стать эффективнее.

Гипотеза красивая, но пока это лишь математическая модель. Нет прямых доказательств, что астроциты действительно работают как «сохраняющие» элементы. Эксперименты на живом мозге сложны, и результаты могут оказаться неоднозначными.

Ранее ученые назвали астроциты новой мишенью в лечении болезни Альцгеймера.