星形膠質(zhì)細(xì)胞可能提升大腦的記憶容量 這一發(fā)現(xiàn)如何申請專利？
專利代理 發(fā)布時(shí)間：2025-05-28 13:45:34 瀏覽: 次
人類大腦包含大約860億個(gè)神經(jīng)元。這些細(xì)胞發(fā)送電脈沖，幫助大腦存儲(chǔ)記憶，并在大腦和神經(jīng)系統(tǒng)中傳遞信息和指令。
大腦中也含有數(shù)十億個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞——具有許多長延伸的星形細(xì)胞，使它們能夠與數(shù)百萬個(gè)神經(jīng)元互動(dòng)。盡管長期以來它們被認(rèn)為主要是支持性細(xì)胞，但最近的研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞可能在記憶存儲(chǔ)和其他認(rèn)知功能中發(fā)揮作用。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在提出了一個(gè)關(guān)于星形膠質(zhì)細(xì)胞如何可能有助于記憶存儲(chǔ)的新假設(shè)。他們的模型所建議的結(jié)構(gòu)將有助于解釋大腦的巨大存儲(chǔ)容量，這遠(yuǎn)大于僅使用神經(jīng)元所預(yù)期的容量。
最初，星形膠質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為只是清理神經(jīng)元周圍的物質(zhì)，但沒有特別的理由說明進(jìn)化沒有意識到這一點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞可以接觸到數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個(gè)突觸，它們也可以用于計(jì)算，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)和腦與認(rèn)知科學(xué)學(xué)教授、新研究的作者讓-雅克·斯洛廷說。
星形膠質(zhì)細(xì)胞在大腦中具有多種支持功能：它們清理碎片，為神經(jīng)元提供營養(yǎng)，并幫助確保充足的血液供應(yīng)。
星形膠質(zhì)細(xì)胞也會(huì)伸出許多細(xì)長的觸手，稱為突起，每個(gè)突起可以包裹在兩個(gè)神經(jīng)元相互作用的突觸上，從而形成三部分突觸。
在過去的幾年里，神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)證明，如果海馬體中星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間的連接被破壞，記憶的存儲(chǔ)和檢索就會(huì)受到損害。
與神經(jīng)元不同，星形膠質(zhì)細(xì)胞不能發(fā)放傳遞信息的電脈沖，但它們可以利用鈣信號與其他星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行交流。在過去的幾十年中，隨著鈣成像分辨率的提高，研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣信號還使星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠與它們所關(guān)聯(lián)的突觸中的神經(jīng)元協(xié)調(diào)其活動(dòng)。
這些研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠檢測神經(jīng)活動(dòng)，從而改變自身的鈣水平。這些變化可能會(huì)觸發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放膠質(zhì)遞質(zhì)——類似于神經(jīng)遞質(zhì)的信號分子——到突觸中。
神經(jīng)元信號傳導(dǎo)和星形膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元信號傳導(dǎo)之間有一個(gè)封閉的循環(huán)，目前未知的是星形膠質(zhì)細(xì)胞如何利用從神經(jīng)元接收到的信息進(jìn)行計(jì)算。
麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開始建立模型，以模擬這些連接可能在做什么以及它們?nèi)绾斡兄谟洃洿鎯?chǔ)。他們的模型基于霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)——一種可以存儲(chǔ)和回憶模式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)，由約翰·霍普菲爾德和真一夫·阿瑪里在20世紀(jì)70年代和80年代開發(fā)，通常用于模擬大腦，但研究表明，這些網(wǎng)絡(luò)無法存儲(chǔ)足夠多的信息來解釋人類大腦的龐大記憶容量。一種較新的改進(jìn)版霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)，稱為 密集關(guān)聯(lián)記憶，通過兩個(gè)以上神經(jīng)元之間的高階耦合可以存儲(chǔ)更多信息。
然而，由于傳統(tǒng)突觸只能連接兩個(gè)神經(jīng)元：前突觸細(xì)胞和后突觸細(xì)胞，尚不清楚大腦如何在假設(shè)的突觸中實(shí)現(xiàn)這些多神經(jīng)元耦合。這就引出了星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用。
如果你有一個(gè)由神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，這些神經(jīng)元成對耦合，那么你只能在這些網(wǎng)絡(luò)中編碼非常少的信息，為了構(gòu)建密集的關(guān)聯(lián)記憶，你需要耦合更多的神經(jīng)元，因?yàn)閱蝹€(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞可以連接到許多神經(jīng)元和許多突觸，所以很自然地會(huì)想到，可能存在一種由這種生物細(xì)胞介導(dǎo)的突觸之間的信息傳遞。這是促使我們研究星形膠質(zhì)細(xì)胞并開始思考如何在生物學(xué)中構(gòu)建密集的關(guān)聯(lián)記憶的最大靈感。
研究人員在新論文中開發(fā)的神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞關(guān)聯(lián)記憶模型可以存儲(chǔ)比傳統(tǒng)霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)顯著更多的信息——這足以解釋大腦的記憶容量。
研究人員表示，神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的廣泛生物聯(lián)系支持了這種模型可能解釋大腦記憶存儲(chǔ)系統(tǒng)如何運(yùn)作的想法。他們假設(shè)在星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，記憶是通過鈣流模式的漸進(jìn)變化來編碼的。這些信息通過星形膠質(zhì)細(xì)胞過程所連接的突觸中釋放的膠質(zhì)介素傳遞給神經(jīng)元。
通過仔細(xì)協(xié)調(diào)這兩件事——細(xì)胞內(nèi)鈣的空間時(shí)間模式，然后反饋到神經(jīng)元——你可以得到所需的巨大記憶容量的動(dòng)態(tài)變化。
新模型的一個(gè)關(guān)鍵特征是，它將星形膠質(zhì)細(xì)胞視為一組過程，而不是單一的實(shí)體。這些過程中的每一個(gè)都可以被視為一個(gè)計(jì)算單元。由于密集的關(guān)聯(lián)記憶具有高信息存儲(chǔ)能力，所存儲(chǔ)信息量與計(jì)算單元的數(shù)量之比非常高，并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而增加。這使得系統(tǒng)不僅具有高容量，而且還能高效地利用能源。
通過將三重突觸域（astrocytes與突觸前和突觸后神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)互動(dòng)的區(qū)域）概念化為大腦的基本計(jì)算單元，每個(gè)單元可以存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元數(shù)量一樣多的記憶模式。這導(dǎo)致了一個(gè)引人注目的推論，原則上，一個(gè)神經(jīng)元-astrocyte網(wǎng)絡(luò)可以存儲(chǔ)任意多的模式，其唯一限制是其大小。
為了測試這個(gè)模型是否能準(zhǔn)確地代表大腦如何存儲(chǔ)記憶，研究人員可以嘗試開發(fā)方法來精確操控星形膠質(zhì)細(xì)胞突起之間的連接，然后觀察這些操控如何影響記憶功能。
除了提供有關(guān)大腦如何存儲(chǔ)記憶的見解外，該模型還可以為從事人工智能研究的科學(xué)家提供指導(dǎo)。通過改變過程到過程網(wǎng)絡(luò)的連接性，研究人員可以生成大量模型，以用于不同的目的，例如，在大型語言模型中創(chuàng)建密集的關(guān)聯(lián)記憶和注意力機(jī)制之間的連續(xù)體。
當(dāng)神經(jīng)科學(xué)最初激發(fā)了人工智能的關(guān)鍵想法后，近50年的神經(jīng)科學(xué)研究對這一領(lǐng)域的影響甚微，許多現(xiàn)代人工智能算法已經(jīng)偏離了神經(jīng)類比，從這個(gè)意義上說，這項(xiàng)工作可能是第一個(gè)受最近神經(jīng)科學(xué)研究啟發(fā)的人工智能貢獻(xiàn)。
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