Νέα θεωρητική μελέτη από το MIT προτείνει ότι τα αστροκύτταρα συμμετέχουν ενεργά στην αποθήκευση μνήμης μέσω τριμερών συνάψεων, αμφισβητώντας το νευρωνοκεντρικό μοντέλο του εγκεφάλου και τα όρια της ανθρώπινης μνήμης
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες
Αυτός ο αριθμός εμφανίζεται σχεδόν σε κάθε δημοφιλή αναφορά στη μνήμη και τη νοημοσύνη και τείνει να φέρει ένα έμμεσο επιχείρημα: ότι η κλίμακα της ανθρώπινης νόησης προκύπτει από την κλίμακα αυτού του αριθμού κυττάρων.
Αυτό που αναφέρεται λιγότερο συχνά είναι ότι ο εγκέφαλος περιέχει έναν περίπου αντίστοιχο αριθμό ενός εντελώς διαφορετικού τύπου κυττάρων, τα οποία οι ερευνητές αντιμετώπιζαν, για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας της νευροεπιστήμης, ως κάτι λίγο περισσότερο από βιολογική υποδομή.
Μια εργασία που δημοσιεύθηκε στις 23 Μαΐου στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (Proceedings of the National Academy of Sciences) προτείνει μια νέα υπόθεση για το τι μπορεί να κάνουν στην πραγματικότητα αυτά τα κύτταρα, που ονομάζονται αστροκύτταρα.
Η εργασία προέρχεται από μια ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT): τον πρώτο συγγραφέα Leo Kozachkov, τον Jean-Jacques Slotine, καθηγητή μηχανολογίας και επιστημών εγκεφάλου και νόησης, και τον Dmitry Krotov από το Εργαστήριο ΤΝ MIT-IBM Watson AI Lab (MIT-IBM Watson AI Lab), ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας της εργασίας.
Ο ισχυρισμός τους δεν είναι ότι τα αστροκύτταρα έχουν παρεξηγηθεί με δραματικό τρόπο. Είναι η πιο προσεκτική πρόταση ότι μπορεί να επιτελούν υπολογιστική εργασία την οποία οι νευρώνες, από μόνοι τους, δεν μπορούν να εξηγήσουν.
Πρόκειται για μια υπόθεση που υποστηρίζεται από ένα μαθηματικό μοντέλο. Η πειραματική εργασία που απαιτείται για να δοκιμαστεί δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί.
Το πρόβλημα της αποθήκευσης
Το τυπικό μοντέλο για τη σκέψη σχετικά με την αποθήκευση μνήμης σε νευρωνικά δίκτυα είναι το δίκτυο Hopfield, το οποίο διατυπώθηκε από τον John Hopfield στην επιδραστική εργασία του το 1982 και βασίστηκε σε προηγούμενη ανεξάρτητη εργασία του Shun-Ichi Amari στις αρχές της δεκαετίας του 1970.
Τα δίκτυα Hopfield αποθηκεύουν πληροφορία ως μοτίβα στις συνδέσεις μεταξύ νευρώνων και έχουν χρησιμοποιηθεί ως λειτουργικό μοντέλο για το πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί και ανακαλεί μνήμες.
Το πρόβλημα είναι ότι μπορούν να αποθηκεύσουν μόνο μια περιορισμένη ποσότητα πληροφορίας, πολύ μικρότερη από αυτή που αποδεδειγμένα διατηρεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος.
Μια τροποποιημένη εκδοχή, γνωστή ως πυκνή συνειρμική μνήμη, μπορεί να αποθηκεύσει σημαντικά περισσότερα, αλλά απαιτεί συζεύξεις μεταξύ περισσότερων από δύο νευρώνων ταυτόχρονα.
Οι συμβατικές συνάψεις συνδέουν ακριβώς δύο νευρώνες: έναν προσυναπτικό και έναν μετασυναπτικό
Δεν υπάρχει προφανής βιολογικός μηχανισμός για την υψηλότερης τάξης σύζευξη που απαιτεί η πυκνή συνειρμική μνήμη.
Τα αστροκύτταρα είναι το σημείο εκκίνησης του επιχειρήματος της ομάδας του MIT. Πρόκειται για κύτταρα σε σχήμα αστεριού με μακριές, λεπτές προεκτάσεις που ονομάζονται αποφυάδες, καθεμία από τις οποίες μπορεί να περιβάλλει μια μεμονωμένη σύναψη.
Ένα αστροκύτταρο μπορεί να έρθει σε επαφή με εκατοντάδες χιλιάδες συνάψεις. Όταν μια αποφυάδα αστροκυττάρου περιβάλλει μια σύναψη, δημιουργείται αυτό που ονομάζεται τριμερής σύναψη: μια τριπλή διασταύρωση που περιλαμβάνει την αποφυάδα του αστροκυττάρου, τον προσυναπτικό νευρώνα και τον μετασυναπτικό νευρώνα.
Τα αστροκύτταρα δεν μπορούν να εκπέμπουν ηλεκτρικά δυναμικά ενέργειας όπως οι νευρώνες, αλλά επικοινωνούν μέσω σημάτων ασβεστίου και μπορούν να απελευθερώνουν σηματοδοτικά μόρια που ονομάζονται γλοιομεταβιβαστές μέσα στη συναπτική σχισμή.
Η βασική κίνηση στο μοντέλο του MIT είναι να αντιμετωπιστεί κάθε τριμερής συναπτική περιοχή όχι ως παθητική δομική μονάδα αλλά ως υπολογιστική.
Αντί να θεωρείται το αστροκύτταρο ως ενιαία οντότητα, οι ερευνητές το αντιμετωπίζουν ως σύνολο σχεδόν ανεξάρτητων διεργασιών, καθεμία ικανή να ανιχνεύει νευρωνική δραστηριότητα και να τροφοδοτεί πληροφορία πίσω.
Η σύζευξη που δημιουργείται δεν είναι μεταξύ δύο νευρώνων αλλά μεταξύ της αποφυάδας του αστροκυττάρου και των δύο νευρώνων που συνδέει.
Αυτό είναι ακριβώς το είδος σύζευξης υψηλότερης τάξης που απαιτούν οι πυκνές συνειρμικές μνήμες
«Αν εννοιολογήσουμε τις τριμερείς συναπτικές περιοχές ως τις θεμελιώδεις υπολογιστικές μονάδες του εγκεφάλου», λέει ο Maurizio De Pitta, επίκουρος καθηγητής φυσιολογίας στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Krembil του Πανεπιστημίου του Τορόντο (University of Toronto), ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη «οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι κάθε μονάδα μπορεί να αποθηκεύσει τόσα μοτίβα μνήμης όσα οι νευρώνες στο δίκτυο. Αυτό οδηγεί στη εντυπωσιακή συνέπεια ότι, καταρχήν, ένα δίκτυο νευρώνων-αστροκυττάρων θα μπορούσε να αποθηκεύσει έναν αυθαίρετα μεγάλο αριθμό μοτίβων, περιοριζόμενο μόνο από το μέγεθός του».
Η φράση «αυθαίρετα μεγάλο» αξίζει προσοχής. Δεν σημαίνει άπειρο. Σημαίνει ότι το μοντέλο δεν συναντά το ανώτατο όριο που συναντούν τα παραδοσιακά δίκτυα μόνο με νευρώνες και ότι το πρακτικό όριο φαίνεται να κλιμακώνεται με τις διαστάσεις του ίδιου του δικτύου.
Σε αυτή την ανάγνωση, ο λόγος που η ανθρώπινη μνήμη δεν έχει γνωστό ανώτατο όριο δεν είναι ότι ο εγκέφαλος έχει βρει κάποιο εξωτικό μηχανισμό, αλλά είναι ότι ο εγκέφαλος μπορεί να αξιοποιεί μια αρχιτεκτονική αποθήκευσης που η νευροεπιστήμη μέχρι πρόσφατα δεν είχε σκεφτεί να αναζητήσει.
Το μοντέλο λέει επίσης κάτι για την ενεργειακή αποδοτικότητα. Επειδή η αναλογία αποθηκευμένης πληροφορίας προς υπολογιστικές μονάδες είναι υψηλή και αυξάνεται με το μέγεθος του δικτύου, το σύστημα αποθηκεύει περισσότερα ανά μονάδα από μια συμβατική αρχιτεκτονική Hopfield.
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι αυτό ταιριάζει με όσα είναι γνωστά για τον πραγματικό ενεργειακό προϋπολογισμό του εγκεφάλου.
Τι έχει υποστηρίξει η πρόσφατη νευροεπιστήμη
Η υπόθεση ότι τα αστροκύτταρα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη ως κάτι περισσότερο από υποστηρικτικά κύτταρα έχει ενισχυθεί τα τελευταία χρόνια, αν και δεν έχει ακόμη καταλήξει σε επιστημονική συναίνεση.
Τα τελευταία χρόνια, πειραματικές εργασίες έχουν αρχίσει να υποδεικνύουν έναν πιο ενεργό ρόλο.
Μελέτες που διαταράσσουν τις συνδέσεις αστροκυττάρων-νευρώνων στον ιππόκαμπο έχουν αναφέρει διαταραχές τόσο στην αποθήκευση όσο και στην ανάκληση μνήμης, ενώ οι εξελίξεις στην ανάλυση απεικόνισης ασβεστίου έχουν επιτρέψει την παρατήρηση αστροκυττάρων και νευρώνων να συντονίζουν τη δραστηριότητά τους σε πραγματικό χρόνο.
Αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι κάτι συμβαίνει χωρίς να καθορίζουν τι ακριβώς, και ο τομέας δεν έχει ακόμη καταλήξει σε συναίνεση για την ερμηνεία τους.
Το ερώτημα που προσπαθεί να απαντήσει η εργασία των Kozachkov et al. είναι πιο στενό: δεδομένου του τι κάνουν τα αστροκύτταρα, τι είδους υπολογισμό θα μπορούσαν να επιτελούν;
Η απάντηση που δίνει το μοντέλο είναι η κωδικοποίηση μνήμης μέσω πυκνής συνειρμικής μνήμης, με την πληροφορία να αποθηκεύεται στα χωροχρονικά μοτίβα ροής ασβεστίου μέσα στο αστροκύτταρο και να μεταδίδεται πίσω στους νευρώνες μέσω απελευθέρωσης γλοιομεταβιβαστών.
Τι δεν αποδεικνύει η εργασία
Οι συγγραφείς είναι σαφείς σχετικά με το εικασιακό στάδιο της δουλειάς τους.
«Ελπίζουμε ότι μία από τις συνέπειες αυτής της εργασίας θα μπορούσε να είναι ότι οι πειραματικοί ερευνητές θα λάβουν σοβαρά αυτή την ιδέα και θα πραγματοποιήσουν κάποια πειράματα για να δοκιμάσουν αυτή την υπόθεση», λέει ο Krotov.
Η μετάβαση από ένα εύλογο μοντέλο σε έναν επιβεβαιωμένο μηχανισμό είναι μεγάλη και πολλά εύλογα μοντέλα δεν αντέχουν στην πειραματική δοκιμή. Προς το παρόν δεν υπάρχει τρόπος να ελεγχθεί αυτή η υπόθεση μόνο διαβάζοντας την εργασία - αυτό που κάνει η εργασία είναι να υποστηρίζει ότι αξίζει να δοκιμαστεί.
Υπάρχει επίσης ο κίνδυνος να διαβαστεί το μοντέλο υπερβολικά ευρέως.
Η αρχιτεκτονική της πυκνής συνειρμικής μνήμης προβλέπει ορισμένες μαθηματικές ιδιότητες αποθήκευσης μνήμης, αλλά η αντιστοίχισή τους με το πλήρες φάσμα της ανθρώπινης μνήμης, τον συναισθηματικό της χαρακτήρα, την επιλεκτικότητά της, την ευαισθησία της σε παραμορφώσεις, απαιτεί πολύ περισσότερη δουλειά.
Το μοντέλο αφορά την ικανότητα αποθήκευσης. Δεν αφορά το τι αποθηκεύεται ή γιατί κάποιες μνήμες παραμένουν και άλλες όχι.
Το πλαίσιο του δικτύου Hopfield αξίζει να διατηρηθεί εδώ. Ο John Hopfield έλαβε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2024, μαζί με τον Geoffrey Hinton, για θεμελιώδη εργασία στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα - εργασία που αναγνωρίστηκε ότι διαμόρφωσε την ανάπτυξη της σύγχρονης μηχανικής μάθησης.
Η εργασία του MIT επεκτείνει αυτό το πλαίσιο σε έναν τομέα που το αρχικό μοντέλο του Hopfield δεν μπορούσε να καλύψει. Το αν αυτή η επέκταση περιγράφει με ακρίβεια τι κάνει ο εγκέφαλος παραμένει, προς το παρόν, ανοιχτό ερώτημα.
Η επίπτωση για το πώς μελετάται ο εγκέφαλος
Υπάρχει μια τάση στις περιγραφές του εγκεφάλου να αντιμετωπίζεται ως ένα σύστημα με βάση τους νευρώνες, με όλα τα υπόλοιπα ως δευτερεύουσα υποδομή.
Η έμφαση στους νευρώνες δεν είναι αυθαίρετη - είναι τα κύτταρα που ενεργοποιούνται, που μεταφέρουν ηλεκτρικά σήματα, που αποτελούν το ορατό υπόστρωμα της αντίληψης, της κίνησης και του λόγου.
Όμως ένας εγκέφαλος που χρησιμοποιεί το μισό του κυτταρικού του πληθυσμού για λειτουργίες που παραμένουν ανεπαρκώς κατανοητές είναι ένας εγκέφαλος με ελλιπή αποτύπωση.
Αυτό που προσθέτει η εργασία των Kozachkov et al. σε αυτή την εικόνα είναι ένας συγκεκριμένος, ελέγξιμος ισχυρισμός: ότι η τριμερής συναπτική διασταύρωση που σχηματίζεται από ένα αστροκύτταρο και δύο νευρώνες μπορεί να επιτελεί εργασία μνήμης που οι συνδέσεις μόνο μεταξύ νευρώνων δεν μπορούν να εξηγήσουν.
Αν τα πειράματα το επιβεβαιώσουν, η συνέπεια δεν είναι μόνο ότι τα αστροκύτταρα έχουν σημασία. Είναι ότι η μονάδα υπολογισμού που μελετούμε, η σύναψη μεταξύ δύο νευρώνων, δεν είναι στην πραγματικότητα η βασική μονάδα αποθήκευσης μνήμης του εγκεφάλου.
Αυτό θα απαιτούσε αναθεώρηση μεγάλου μέρους όσων έχουν γραφτεί για τον εγκέφαλο. Σε καμία περίπτωση δεν θα απαιτούσε την απόρριψή τους.
www.worldenergynews.gr
