Nogle gange viser hovedpersonerne i de mest fantastiske historier sig ikke at være dem, vi havde forventet. I årtier har neurobiologien næsten udelukkende fokuseret på neuroner: nervesystemets stjerner, der er ansvarlige for at sende og modtage signaler, opbygge tanker og danne minder. Men i hjernens baggrund findes der andre celler, der er langt mere talrige og indtil videre langt mindre undersøgt .
Hvad nu hvis vores hukommelse ikke kun afhænger af neuroner, men også af usynlige ledsagere? Det ville forklare, hvordan minder fra barndommen dannes – en revolution . Forskere fra MIT og IBM har fremsat en provokerende idé: astrocytter – en type gliaceller, der traditionelt betragtes som støttende – kan spille en nøglerolle i hukommelseslagring. Det er ikke bare en vag intuition: Det er en kompleks matematisk og biologisk model, der peger på en radikal ændring i vores forståelse af hjernen.
Astrocytter: hjernens mest oversete celler
Astrocytter er ikke sjældne i hjernen, men er den mest udbredte type celler . Selvom deres klassiske funktion er at opretholde den kemiske balance, rense affald og forsyne neuroner med næringsstoffer og ilt, har ny forskning vist, at de gør meget mere. Astrocytter har udløbere, der kan vikle sig omkring synapser – forbindelsespunkter mellem neuroner – og danne strukturer kaldet trekomponentsynapser .
En astrocyt kan være i kontakt med mere end en million synapser og dermed skabe et omfattende netværk af interaktioner, som tidligere blev anset for at være ikke-funktionelt. I lang tid troede man, at astrocytter blot passivt »lyttede«. Men nyere forskning har vist, at de kan registrere neuronal aktivitet og reagere ved at frigive gliotransmittere – molekyler, der direkte påvirker signalet, der overføres mellem neuroner.
En revolutionerende hypotese: minder uden for neuroner
En ny undersøgelse, der er offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , foreslår en beregningsmodel baseret på disse astrocytters funktioner. Ifølge forfatterne kan hukommelseskapaciteten delvist findes i det astrogliale netværk af processer og ikke kun i neuronale synapser, som man tidligere har antaget.
Forfatterne antager, at astrocytter udfører beregninger, og at disse beregninger dannes af variable interne signalveje . Denne påstand er ikke grundløs spekulation: den understøttes af en matematisk model for associativ hukommelse, inspireret af kunstige neurale netværk. Dette er en udvidelse af Hopfield-netværkene, som har været grundlæggende i teoretisk neurovidenskab og udviklingen af kunstig intelligens.
Det nye er, at denne nye model integrerer astrocytter som beregningsenheder, der kan øge netværkets lagerkapacitet betydeligt. De gør dette takket være deres evne til at overføre calcium indvendigt og interagere med mange synapser samtidigt.
Fra kunstige netværk til den menneskelige hjerne
Den udviklede model tilhører en klasse kaldet »tætte associative minder«. Disse netværk overvinder begrænsningerne ved traditionelle Hopfield-netværk, som kun kan lagre et relativt lille antal mønstre. I stedet viser MIT’s model, ved at inkludere astrocytter som sammenkoblede knudepunkter, en skalerbar vækst i hukommelseskapaciteten: jo flere astrocytter, jo flere mulige minder .
»Vores arbejde viser, at neuron-astrocyt-netværk følger en højere lov for skalering af hukommelse«, hedder det i artiklen. Det betyder, at hver ny enhed ikke kun tilføjer information, men også multiplicerer lagerkapaciteten . Forskerne hævder, at denne forbedring sker ved at gemme minder i det interne netværk af astrocytprocesser og ikke kun i synaptiske forbindelser.
Med andre ord bidrager astrocytter ikke kun med volumen, men også med en struktur, der er i stand til mere effektivt at placere og udtrække mønstre i hjerneaktiviteten. Denne opdagelse er ikke i modstrid med engramteorien – ideen om, at minder findes i bestemte sæt neuroner, der aktiveres under læring – men snarere supplerer den.
Hvilken rolle spiller astrocytter i hjernens beregninger?
Kernen i dette forslag ligger i et matematisk begreb: energifunktionen . I denne type model er hver erindring forbundet med et »minimum« af energi i et abstrakt rum. Når vi aktiverer en del af denne erindring, stræber hjernens aktivitet naturligt efter at fuldende mønsteret og føre os til den fulde erindring. Dette er en måde at forklare fænomener som genkendelse eller spontan erindring.
Det interessante ved den nye model er, at den introducerer firevejsinteraktioner i netværket af astrogliale processer, hvilket muliggør en langt mere kompleks og effektiv kodning. Tilstedeværelsen af tensoren T, en matematisk struktur, der repræsenterer disse forbindelser, er nøglen til at forstå, hvordan astrocytter kan fremme interaktionen mellem fjerne synapser og dermed bidrage til mere kraftfulde hukommelsesnetværk.
Desuden forklarer forfatterne, at dette system i simuleringer er i stand til at rette fejl og endda supplere delvist forvrængede billeder eller lyde. Med andre ord lagrer det ikke kun flere data, men gør det også på en mere pålidelig og fleksibel måde .
Konsekvenser for neurovidenskab og kunstig intelligens
Denne model udfordrer direkte en af de centrale antagelser inden for neurovidenskaben : at synapser mellem neuroner er det eneste substrat for hukommelse. Hvis det bekræftes, at astrocytter også lagrer information, vil en betydelig del af lærebøgerne i neurobiologi skulle omskrives.
Desuden er forbindelserne mellem denne model og mere avancerede AI-systemer slående . Teamet antager, at deres arkitektur kan interpolere mellem tætte associative minder og opmærksomhedsmekanismer, såsom dem der bruges i Transformers, netværk, der driver modeller som ChatGPT.
Dette åbner en uventet mulighed: en bedre forståelse af astrocytters rolle i hjernen kan hjælpe os med at skabe bedre algoritmer til kunstig intelligens . Omvendt kan biologisk inspirerede computermodeller hjælpe os med at afsløre hemmeligheder, der stadig er skjult i vores bevidsthed.
Hvordan kan denne teori testes?
Det næste skridt er ifølge forfatterne eksperimentelt. For at teste modelens gyldighed vil det være nødvendigt at manipulere de interne forbindelser mellem astrogliale processer og se, hvordan det påvirker hukommelsen . Selvom det er teknisk vanskeligt, er det ikke umuligt med moderne molekylære neurobiologiske værktøjer.
De foreslår også at tilpasse modellen til reelle fysiologiske data, f.eks. ved at begrænse forbindelserne til kun at omfatte nærliggende astrogliale processer. Dette ville gøre det muligt at simulere den observerede hjerneaktivitet så nøjagtigt som muligt og bekræfte, om astrocytter virkelig deltager aktivt i hukommelsesdannelsen.
»Vores model forudsiger, at hindringer for calciumdiffusion gennem astrocytter vil forringe hukommelsesudtræk betydeligt«, forklarer forfatterne. Hvis fremtidige eksperimenter bekræfter denne hypotese, vil vi være vidne til en revolution i vores forståelse af hjernen.
