بیگ بنگ: داده های انستیتوی سالک (Salk Institute) نشان می دهد که ظرفیت حافظه در محدوده پتابایت است و این یعنی به بزرگی تمام وب! پژوهشگران و همکاران سالک به درک تازه ای از اندازه اتصالات عصبی نائل آمده اند که ظرفیت حافظه مغز را بسیار فراتر از تخمین های رایج قرار می دهد. پژوهش جدید همچنین به سوالی که مدت ها بی پاسخ مانده بود جواب می دهد؛ چرا مغز این قدر کم انرژی مصرف می کند؟ و پژوهش آن ها می تواند به مهندسان کمک کند تا کامپیوترهایی بسازند که بسیار قدرتمند هستند اما در انرژی صرفه جویی می کنند.

به گزارش بیگ بنگ، تری سیناسکی پروفسور انستیتو سالک و هم-مولف ارشد این گزارش پژوهشی که در نشریه eLife منتشر شد می گوید:« این واقعا خبری تکان دهنده در عرصه علوم اعصاب است، ما کلید بازگشایی اصول طراحی برای نحوه عملکرد اعصاب اَسبکی (hippocampal) با انرژی کم اما توان محاسباتی بالا را کشف کرده ایم. اندازه گیری های جدید ما از ظرفیت حافظه مغز تخمین های محافظه کارانه را به میزان 10 برابر و دستکم یک پتابایت افزایش می دهد. در اندازه ای در حدود شبکه جهانی وب.»

خاطرات و افکار ما نتیجه الگوهایی از فعالیت الکتریکی و شیمیایی در مغز هستند. بخش مهمی از این فعالیت زمانی روی می دهد که اعصاب ما با سیناپس ها در جایی که اکسون یک عصب به دندریت عصب دیگر وصل می شود تعامل دارند و پیام ها در طول سیناپس ها از طریق انتقال دهنده های عصبی انتقال می یابند. هر عصب می تواند هزاران سیناپس با هزاران عصب دیگر داشته باشد.

کریستن هریس هم مولف ارشد این پژوهش و پروفسور علوم اعصاب در دانشگاه تگزاس، آستین می گوید:« هنگامی که ما در آغاز، کارکرد هر دندریت، اکسون و گلیال و سیناپس را از بخشی از اَسبک مغز (hippocampus ) به اندازه یک سلول گلبول قرمز را بازسازی کردیم تا حدی از پیچیدگی و تنوع میان سیناپس ها سردرگم بودیم. زمانی که امید به درک اصول بنیادی درباره نحوه تشکیل یافتن مغز از این دگرگونی ها را داشتم، از دقت به کار رفته در آنالیزهای این گزارش شگفت زده شدم.»

سیناپس ها کماکان یک راز باقی مانده اند، اگرچه اختلال در آنها می تواند منجر به دسته ای بیماری های عصبی شود. سیناپس های بزرگ تر-با سطحی گسترده تر و کیسه هایی از انتقال دهنده های عصبی- قوی تر هستند و احتمال فعال سازی سلول های عصبی اطرافشان توسط آن ها در مقایسه با سیناپس های متوسط و کوچک بیشتر است. گروه سالک، زمانی که مدل 3 بعدی بافت اَسبک (hippocampus) موش را می ساختند (مرکز حافظه در مغز)، متوجه چیزی غیرعادی شدند. در برخی موارد، یک اکسون از یک عصب دو سیناپس تشکیل می داد که به یک دندریت و عصب دوم می رسید و تاکیدی بر این بود که به نظر می رسید عصب اول پیامی دونسخه ای به عصب گیرنده پیام می فرستد.

در آغاز، دانشمندان به این دوگانگی که حدودا 10 درصد مواقع در اَسبک مغز روی می دهد توجه زیادی نشان ندادند. اما تام بارتول دانشمند انستیتوی سالک، نظریه ای داشت: اگر آنها می توانستند تفاوت بین دو سیناپس بسیار مشابه نظیر اینها را اندازه گیری کنند شاید می توانستند در مورد اندازه های سیناپسی به درک جمع بندی شده ای دستیابند که تا کنون در این عرصه به عنوان کوچک، متوسط و بزرگ دسته بندی شده اند. برای انجام این کار، پژوهشگران از الگوریتم های میکروسکوپی و محاسباتی پیشرفته ای استفاده کردند که برای تصویر برداری از مغز موش ها و بازسازی اتصالات، اشکال و حجم ها و بخش سطحی بافت مغز در سطح نانومولکولی توسعه داده بودند.

دانمشندان انتظار داشتند که اندازه سیناپس ها کم و بیش مشابه باشد اما از کشف اینکه سیناپس ها تقریبا یکسان بودند شگفت زده شدند. بارتول می گوید:« ما از پی بردن به اینکه تفاوت در اندازه جفت های سیناپسی به طور میانگین بسیار ناچیز بود متعجب شدیم، تنها حدود 8 درصد تفاوت در اندازه داشتند. هیچ کس فکر نمی کرد که تفاوت اینقدر ناچیز باشد. این توپ کات دار طبیعت بود.» از آنجا که ظرفیت حافظه عصب ها وابسته به اندازه سیناپس است، این تفاوت 8 درصدی عدد مهمی از آب در آمد که گروه پژوهشی می توانست در مدل های الگوریتمی اش از مغز برای اندازه گیری اینکه چه میزان اطلاعات را می توان به صورت بالقوه در اتصالات سیناپسی ذخیره کرد به کار ببندد. از پیش مشخص بود که محدوده در اندازه ها از کوچک ترین و بزرگترین سیناپس ها ضریب 60 دارد و اغلب آن ها کوچک هستند.

اما با دانستن این که سیناپس ها در تمام اندازه ها در میزان رشد تفاوتی به کوچکی 8 درصد در اندازه هایی از ضریب 60 دارند، گروه پژوهشی مشخص ساخت به جای تعداد محدودی از سایزبندی ها حدود 26 دسته از اندازه های سیناپسی امکان پذیر است. بارتول گفت:” داده های ما نشان می دهد حدود 10 برابر، اندازه بندی های مجزای بیشتری برای سیناپس ها نسبت به آنچه پیشتر گمان می بردیم وجود دارد.” در اصطلاح کامپیوتری، 26 گونه اندازه در سیناپس ها مرتبط با 4.6 بیت از اطلاعات است. پیشتر، تصور می شد که مغز تنها توانایی ذخیره سازی یک یا دو بیت برای حافظه کوتاه و بلند مدت در اَسبک (hippocampus) دارد.

بارتول می گوید:« این بدین معنا است که هر 2 یا 20 دقیقه، سیناپس های شما به اندازه بعدی بزرگ یا کوچک می شوند. سیناپس ها خودشان را مطابق با پیام هایی که دریافت می کنند تنظیم می نمایند.» سیناسکی نیز افزود:« نتایج حاصل از تحقیق که ما به آن ها پی برده ایم تاثیرات بسیاری در پی دارد. در زیر آشوب و به هم ریختگی ظاهری در مغز دقتی در اندازه و اشکال سیناپس ها نهفته است که از چشم ما پنهان بود.»

این یافته ها همچنین توضیحی با ارزش برای ارائه در مورد کارآمدی شگفت انگیز مغز در مصرف انرژی دارد. مغز یک بزرگسال در بیداری تنها حدود 20 وات برق مستمر تولید می کند-به اندازه یک لامپ بسیار ضعیف. کشف انیستیتوی سالک می تواند به دانشمندان کامپیوتر کمک کند تا کامپیترهایی فوق العاده دقیق اما کم مصرف بسازند، مخصوصا کامپیوترهایی که در «یادگیری عمیق” و شبکه های عصبی مصنوعی کاربرد دارند- تکنیک هایی که توانایی یادگیری و آنالیز پیشرفته ای را دارا هستند نظیر گفتار، شناسایی اشیاء و ترجمه. سیناسکی می گوید:” این توانایی مغز کاملا اشاره به راهی برای طراحی بهتر کامپیوترها دارد. معلوم می شود که استفاده از انتقال های محتمل از دقت لازم برخوردار است و انرژی کمتری هم برای کامپیوتر ها و هم مغزها می برد.»

مترجم: حسین طریقی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: neuroscientistnews.com