Ontdek hoe de hersenen nieuwe herinneringen maken en de oude behouden

Wetenschappers hebben een nieuw wiskundig model ontwikkeld dat helpt verklaren hoe de biologische complexiteit van het menselijk brein het mogelijk maakt om nieuwe herinneringen vast te leggen zonder oude uit te wissen.

Menselijke hersenprocessen zijn zo complex dat wetenschappers wiskundige modellen hebben ontwikkeld om ze volledig te begrijpen. (Bron: Pixabay)

Een nieuwe studie laat zien hoe onze hersenen nieuwe herinneringen maken, zonder de oudere te wissen.

Columbia-wetenschappers hebben een nieuw wiskundig model ontwikkeld dat helpt verklaren hoe de biologische complexiteit van het menselijk brein het mogelijk maakt om nieuwe herinneringen vast te leggen zonder oude uit te wissen, en illustreert hoe de hersenen de trouw van herinneringen jarenlang, decennia of zelfs een leven lang behouden.

kleine witte bloem met geel hart

Dit model zou neurowetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van meer gerichte studies van geheugen, en ook vooruitgang stimuleren in neuromorfe hardware, krachtige computersystemen geïnspireerd door het menselijk brein.

Het brein is continu bezig met het ontvangen, organiseren en opslaan van herinneringen. Deze processen, die in talloze experimenten zijn bestudeerd, zijn zo complex dat wetenschappers wiskundige modellen hebben ontwikkeld om ze volledig te begrijpen, zei Stefano Fusi, senior auteur van het artikel. Het model dat we hebben ontwikkeld, verklaart uiteindelijk waarom de biologie en chemie die ten grondslag liggen aan het geheugen zo complex zijn en hoe deze complexiteit het vermogen van de hersenen om te onthouden aanstuurt.

Er wordt algemeen aangenomen dat herinneringen worden opgeslagen in synapsen, kleine structuren op het oppervlak van neuronen. Deze synapsen fungeren als geleiders en verzenden de informatie die is ondergebracht in elektrische pulsen die normaal gesproken van neuron naar neuron gaan. In de vroegste geheugenmodellen werd de sterkte van elektrische signalen die door synapsen gingen vergeleken met een volumeknop op een stereo; het draaide omhoog om de verbindingssterkte tussen neuronen te verhogen (of omlaag om te verlagen). Dit zorgde voor de vorming van herinneringen.

Deze modellen werkten buitengewoon goed, omdat ze een enorme geheugencapaciteit voor hun rekening namen. Maar ze vormden ook een intrigerend dilemma.

5 dieren die in het tropisch regenwoud leven

Het probleem met een eenvoudig, wijzerplaatachtig model van hoe synapsen werken, was dat werd aangenomen dat hun kracht voor onbepaalde tijd omhoog of omlaag kon worden gekozen, zei Dr. Fusi, eraan toevoegend: Maar in de echte wereld kan dit niet gebeuren. Of het nu de volumeknop op een stereo-installatie of een biologisch systeem is, er moet een fysieke limiet zijn aan hoeveel het kan draaien.

Toen deze limieten werden opgelegd, stortte de geheugencapaciteit van deze modellen in.

Dus bood Dr. Fusi, in samenwerking met collega-onderzoeker van het Zuckerman Institute, Larry Abbot, een alternatief. Elke synaps is complexer dan slechts één wijzerplaat, en moet in plaats daarvan worden beschreven als een systeem met meerdere wijzerplaten.

In 2005 publiceerden Drs. Fusi en Abbott een onderzoek waarin dit idee werd uitgelegd. Ze beschreven hoe verschillende wijzerplaten in een synaps samen konden werken om nieuwe herinneringen te vormen en oude te beschermen. Maar zelfs dat model, realiseerden de auteurs zich later, voldeed niet aan wat ze dachten dat de hersenen, met name het menselijk brein, konden bevatten.

We kwamen tot het besef dat de verschillende synaptische componenten, of wijzerplaten, niet alleen op verschillende tijdschalen functioneerden, maar waarschijnlijk ook met elkaar communiceerden, zei Marcus Benna, de eerste auteur van het Nature Neuroscience-artikel van vandaag. Nadat we de communicatie tussen componenten aan ons model hadden toegevoegd, nam de opslagcapaciteit enorm toe, waardoor het veel representatiever werd voor wat er in het levende brein wordt bereikt.

Kijk wat er nog meer nieuws maakt.

Dr. Benna vergeleek de componenten van dit nieuwe model met een systeem van bekers die via een reeks buizen met elkaar verbonden zijn.

In een reeks onderling verbonden bekers, elk gevuld met verschillende hoeveelheden water, zal de vloeistof de neiging hebben ertussen te stromen, zodat de waterstanden gelijk worden. In ons model vertegenwoordigen de bekers de verschillende componenten binnen een synaps, legt dr. Benna uit. Het toevoegen van vloeistof aan een van de bekers of het verwijderen ervan vertegenwoordigt het coderen van nieuwe herinneringen. Na verloop van tijd zal de resulterende vloeistofstroom over de andere bekers diffunderen, wat overeenkomt met de langetermijnopslag van herinneringen.

Beide onderzoekers hopen dat dit werk neurowetenschappers in het laboratorium kan helpen, door als een theoretisch kader te fungeren om toekomstige experimenten te begeleiden, wat uiteindelijk zal leiden tot een completere en meer gedetailleerde karakterisering van de hersenen.

welk soort fruit is een sinaasappel

Hoewel de synaptische basis van geheugen algemeen wordt aanvaard, niet in de laatste plaats dankzij het werk van Nobelprijswinnaar en mededirecteur van het Zuckerman Institute, dr. Eric Kandel, is het buitengewoon moeilijk geweest om te verduidelijken hoe synapsen herinneringen gedurende vele jaren ondersteunen zonder degradatie, zei dr. Abbott. Drs Benna en Fusi zouden als leidraad moeten dienen voor onderzoekers die de moleculaire complexiteit van de synaps onderzoeken.

De technologische implicaties van dit model zijn ook veelbelovend. Dr. Fusi is al lang geïntrigeerd door neuromorfe hardware, computers die zijn ontworpen om een ​​biologisch brein te imiteren.

hoeveel planten zijn er in de woestijn

Tegenwoordig wordt neuromorfische hardware beperkt door de geheugencapaciteit, die catastrofaal laag kan zijn wanneer deze systemen zijn ontworpen om autonoom te leren, zei dr. Fusi. Het creëren van een beter model van synaptisch geheugen zou dit probleem kunnen helpen oplossen, waardoor de ontwikkeling van elektronische apparaten die zijn zowel compact als energiezuinig en net zo krachtig als het menselijk brein.

Dit artikel met de titel Computational principles of synaptic memory consolidation is online gepubliceerd in Nature Neuroscience.

Het bovenstaande artikel is alleen voor informatieve doeleinden en is niet bedoeld als vervanging voor professioneel medisch advies. Vraag altijd advies aan uw arts of een andere gekwalificeerde gezondheidswerker voor alle vragen die u heeft over uw gezondheid of een medische aandoening.