Научный мир переживает настоящий сдвиг парадигмы. Всё, что мы думали о механизмах памяти, может оказаться лишь половиной картины. Новая модель машинного обучения предполагает, что основную роль в объеме памяти мозга могут играть вовсе не нейроны, а… астроциты — звездообразные клетки, о которых мы долгое время забывали.
Астроциты — это клетки, которые традиционно считались вспомогательными: они убирают клеточный мусор, доставляют питательные вещества и регулируют приток крови к активным зонам мозга. Но у них есть одна удивительная особенность — тонкие отростки, обвивающие синапсы, места, где нейроны "разговаривают" друг с другом. Вместе с двумя нейронами они образуют трёхсторонний синапс — сложную, но потенциально критически важную структуру.
"Представьте себе осьминога с миллионами щупалец — это астроцит. Его "голова" — тело клетки, а щупальца — отростки, охватывающие синапсы", — заявил ведущий автор исследования и постдок в IBM Research Лео Козачков.
В отличие от нейронов, астроциты не передают электрические импульсы. Они используют кальциевые сигналы — волны ионизированного кальция, которые распространяются внутри клетки. Эти волны реагируют на активность в синапсах, и в ответ астроциты выделяют химические мессенджеры, влияя на поведение нейронов.
"Это миниатюрные кальциевые компьютеры, которые анализируют, когда передавать информацию, направляют её дальше, а потом получают обратную связь", — заявил Козачков.
Но главное открытие в том, что каждый такой отросток может выступать как отдельная вычислительная единица. Не вся клетка, а именно её тончайшие веточки. Это совершенно новый взгляд на архитектуру памяти.
Чтобы объяснить, как всё это может работать, учёные взяли на вооружение архитектуры из машинного обучения. Оказалось, что взаимодействие одного астроцита с тысячами синапсов похоже на сложные модели с множественными связями — в отличие от классических сетей, работающих "по парам".
"Обычные нейросети ограничены. Мы предположили, что астроциты соединяют множество точек, и именно это может объяснить огромную емкость памяти мозга". — отметил Старший автор, Дмитрий Кротов из MIT-IBM Watson AI Lab.
Астроциты хранят воспоминания, предполагает команда, за счёт долгосрочных изменений в паттернах кальциевой активности. Эти паттерны трансформируются в сигналы, которые нейроны затем "переводят" в действия. Удивительно: по новой модели, для хранения огромных объёмов памяти нужно меньше нейронов. Это делает процесс не только эффективным, но и энергоэкономичным.
Важность открытий выходит далеко за пределы теории. Если модель верна, она может пролить свет на механизмы нейродегенеративных заболеваний. Известно, что астроциты участвуют в патологиях, таких как болезнь Альцгеймера. Теперь у учёных есть математическая модель, объясняющая, какие именно процессы могут идти не так.
"Точная модуляция сигналов астроцитов может восстановить память или компенсировать её потерю", — заявил Козачков.
Тем не менее, до клинических решений — ещё долгий путь. Требуются более детализированные исследования и технологии, способные в реальном времени отслеживать динамику мозга.
Вдохновившись биологией, учёные также предполагают, что подобная архитектура может лечь в основу создания энергоэффективных ИИ-систем. Например, будущие нейропротезы или помощники на базе ИИ могут использовать астроцитоподобные схемы для хранения и обработки данных.
"Модели — мощный инструмент, но они лишь приближение. Пока мы не можем полностью смоделировать мозг в реальном времени", — отметил нейробиолог из Торонто Маурицио де Питта.
И всё же, именно такие гипотезы становятся источником прорывов — как в нейронауке, так и в технологиях будущего.