Работоспособность человеческого мозга намного выше, чем считалось раньше, это показывают результаты исследования Института биологических исследований Солка, Калифорния, США.

Ученые воссоздали ткань головного мозга, чтобы узнать, что средний человеческий мозг может вместить столько же информации, сколько и глобальная сеть Интернет.
Способность мозга запоминать информацию в 10 раз выше, чем считали ученые ранее.

Ученые изучали способность синапсов хранить информацию. В результате исследования выяснилось, что каждый синапс может хранить 4,8 байта информации, а это означает, что мозг человека может вместить в себя петабайт – что эквивалентно 62 500 «айфонам».

Долговременная и кратковременная память сохраняются в связях между нейронами, в местах контакта между ними (синапсы), где отросток нейрона, передающий сигнал (аксон), встречается с одним из десятков выростов соседнего нейрона, принимающих сигнал и называемых дендритами. Каждый нейрон может иметь тысячи таких синапсов.

Память формируется как следствие прохождения сигналов через синапсы. Когда возникает кратковременная память, стимуляции синапса оказывается достаточно для того, чтобы временно повысить эффективность прохождения последующих сигналов. При долговременной памяти синаптическая связь усиливается надолго.

Гиппокамп – часть лимбической системы головного мозга. Участвует в формировании эмоций, консолидации памяти, т.е. перехода кратковременной памяти в долговременную. Генерирует тета-ритм при удержании внимания.

Дендрит – разветвленный отросток нейрона, который получает информацию через химические или электрические импульсы от аксонов и других нейронов и передает ее через электрический сигнал телу нейрона, из которого вырастает.

Синапсы и синаптическая связь всё еще остаются большой загадкой, хотя их дисфункция является причиной многих неврологических заболеваний.

Синаптические связи двух нейронов

Команда ученых из Института биологических исследований Солка воспроизвели трехмерную модель ткани гиппокампа крысы – и нашли нечто необычное. В некоторых случаях один аксон от одного нейрона образовывал два синапса, передающих сигнал одному дендриту другого нейрона. Получается, что первый нейрон посылал двойное сообщение второму нейрону.

Сначала ученые не обратили внимания на это двойственность, которая занимает 10% времени в гиппокампе.

Тогда Том Бартоль, ученый из Института Солка, выдвинул идею: а что если измерить разницу между двумя похожими синапсами, ведь это поможет собрать сведения о синаптических размерах.

«Мы с удивлением обнаружили, что разница в размерах пары синапсов чрезвычайно мала и составляет всего 8%. Никто не думал, что разница окажется такой незначительной. Это хитрость природы», – сказал Бартоль.

Поскольку память зависит от размера синапсов, эти 8% являются ключевой цифрой, которую ученые смогли ввести в алгоритм.

«Наши исследования показали, что существует в 10 раз больше дискретных категорий синапсов, чем мы думали, – говорит ученый Том Бартоль. – Выражаясь компьютерным языком, 26 дискретных категорий синапсов представляют собой 4,7 бита информации. Раньше мы думали, что мозг способен усваивать только 1–2 бита краткосрочной и долгосрочной памяти гиппокампа».

«Нас всегда удивлял тот факт, что поразительная точность мозга происходит от непостоянных синапсов», – рассказывает Бартоль.

Ученые Института биологических наук Солк обнаружили необычное появление двух синапсов от аксона одного нейрона (полупрозрачная черная полоса), формирующих два синапса на одном дендрите другого нейрона (желтый). Похоже на то, что первый нейрон передает двойной сигнал другому

Пока сигнал идет от одного нейрона к другому, второй нейрон активизируется только 10–20% времени. Видимо, постоянная настройка синапсов уравновешивает шансы на успех и провал. По подсчетам ученых, каждые 2–20 минут синапсы изменяют размеры. Синапсы самонастраиваются в зависимости от полученного сигнала.

«Результат нашей работы открыли новую главу в изучении механизмов памяти и обучения», – делится открытиями Гаррис.

Открытие ученых Института Солка дает ценное объяснение удивительной эффективности работы мозга. Мозг взрослого бодрствующего человека генерирует около 20 Вт постоянной энергии – столько же, сколько самая тусклая лампочка.

Данное исследование также поможет ученым в области компьютерных технологий разработать сверхточные, но энергосберегающие компьютеры, которые будут иметь искусственный интеллект и смогут анализировать такую информацию, как речь, перевод, обозначение предметов.

Слева направо: Terry Sejnowski, Cailey Bromer and Tom Bartol

«Эта хитрость работы мозга точно поможет нам разработать усовершенствованные компьютеры. Использование теории вероятности в передаче сигналов является не менее точным и нуждается в гораздо меньших затратах энергии как для мозга, так и для компьютера», – сказал Сейновски.