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Les aides de modèle mathématique expliquent comment le cerveau forme des souvenirs neufs sans éliminer les vieux

Les scientifiques de Colombie ont développé un modèle mathématique neuf ce des aides pour expliquer comment la complexité biologique de l'esprit humain lui permet d'établir des souvenirs neufs sans éliminer les vieux -- illustrant comment le cerveau met à jour la fidélité des souvenirs pour des années, des décennies ou même une vie. Ce modèle a pu aider des neurologistes à concevoir des études plus visées de mémoire, et stimule également des avances dans la visserie neuromorphic -- systèmes informatiques puissants inspirés par l'esprit humain.

Ce travail est aujourd'hui en ligne publié en neurologie de nature.

« Le cerveau est soutenu recevant, dispensant et enregistrant des souvenirs. Ces procédés, qui ont été étudiés dans des expériences innombrables, sont si complexes que les scientifiques aient développé les modèles mathématiques afin de les comprendre entièrement, » a dit Stefano Fusi, PhD, un investigateur principal à l'institut de comportement de cerveau de Mortimer B. Zuckerman Mind de Colombie, professeur agrégé de la neurologie au centre médical d'Université de Columbia et l'auteur supérieur du papier. « Le modèle que nous avons développé finalement explique pourquoi la mémoire fondamentale de biologie et de chimie sont si complexe -- et comment cette complexité pilote la capacité du cerveau de rappeler. »

Des souvenirs sont censés largement pour être enregistrés dans les synapses, structures minuscules sur la surface des neurones. Ces synapses agissent en tant que conduits, transmettant les pouls électriques intérieurs renfermés parinformation qui réussissent normalement du neurone au neurone. Dans les modèles de mémoire les plus tôt, la force des signes électriques qui ont traversé des synapses était comparée à un bouton du volume sur un stéréo ; elle a composé jusqu'à la poussée (ou abaisser vers le bas) la force de lien entre les neurones. Ceci permis pour la formation des souvenirs.

Ces modèles ont extrêmement bien fonctionné, car ils ont représenté l'énorme capacité de stockage. Mais ils ont également posé un dilemme intrigant.

« Le problème avec un modèle simple et gradué bouton de la façon dont le fonctionnement de synapses était qu'on l'a supposé que leur force pourrait être composée en haut ou en bas indéfiniment, » a dit M. Fusi, qui est également un membre du centre de Colombie pour la neurologie théorique. « Mais dans le monde réel ceci ne peut pas se produire. Si c'est le bouton du volume sur un stéréo, ou n'importe quel système biologique, il doit y a une limite matérielle à combien il pourrait tourner. »

Quand ces limites ont été imposées, la capacité de stockage de ces modèles s'est effondrée. Ainsi M. Fusi, en collaboration avec le chercheur Larry Abbott, PhD, un expert d'institut de Zuckerman de camarade en matière de modélisation mathématique du cerveau, a offert une alternative : chaque synapse est plus complexe que juste un bouton gradué, et au lieu devrait être décrite comme système avec les boutons gradués multiples.

En 2005, jeu rouleau-tambour. Recherche publiée de Fusi et d'Abbott expliquant cette idée. Ils ont décrit comment les différents boutons gradués (peut-être représentant des boîtiers des molécules) dans une synapse pourraient fonctionner en tandem pour former des souvenirs neufs tout en protégeant les vieux. Mais même ce modèle, les auteurs plus tard réalisés, a fait défaut à ce qu'ils ont cru le cerveau -- en particulier l'esprit humain -- a pu se retenir.

« Nous sommes en venus à nous rendre compte que les composantes synaptiques variées, ou les boutons gradués, non seulement fonctionnés à différents calendriers, mais étaient également communication susceptible les uns avec les autres, » avons dit Marcus Benna, PhD, un scientifique de recherches d'associé au centre de Colombie pour la neurologie théorique et le premier auteur du papier d'aujourd'hui de neurologie de nature. « Une fois que nous ajoutions la transmission entre les composantes à notre modèle, la capacité de stockage a augmenté par un énorme facteur, devenant bien plus représentatif de ce qui est intérieur réalisé le cerveau vivant. »

M. Benna a comparé les composantes de ce modèle neuf à un système des bechers branchés entre eux par une suite de tubes.

« Dans un ensemble de bechers interconnectés, chacun rempli avec différentes quantités de l'eau, le liquide tendra à circuler entre elles tels que les niveaux d'eau deviennent égalisés. Dans notre modèle, les bechers représentent les composantes variées dans une synapse, » M. expliqué Benna. « Ajoutant le liquide à un des bechers -- ou retirant une partie de lui -- représente le codage des souvenirs neufs. Au fil du temps, le flux donnant droit du liquide diffusera en travers des autres bechers, correspondant à la conservation à long terme des souvenirs. »

Jeu rouleau-tambour. Benna et Fusi sont pleins d'espoir que ce travail puisse aider des neurologistes dans le laboratoire, en agissant en tant que modèle théorique pour guider de futures expériences -- éventuel menant à une caractérisation plus complète et plus détaillée du cerveau.

« Tandis que la base synaptique de la mémoire est bien reçue, dans aucune petite partie due au travail de M. Éric Kandel de codirecteur de Prix Nobel et d'institut de Zuckerman, expliquant comment les souvenirs de support de synapses sur beaucoup d'années sans dégradation ont été extrêmement difficiles, » a dit M. Abbott. « Le travail du jeu rouleau-tambour. Benna et Fusi devraient servir de guide aux chercheurs explorant la complexité moléculaire de la synapse. »

Les implications techniques de ce modèle promettent également. M. Fusi a été longtemps intrigué par la visserie neuromorphic, les ordinateurs qui sont conçus pour imiter un cerveau biologique.

« Aujourd'hui, la visserie neuromorphic est limitée par la capacité de stockage, qui peut être de façon catastrophique inférieure quand ces systèmes sont conçus pour apprendre autonome, » a dit M. Fusi. « Produire un meilleur modèle de mémoire synaptique pourrait aider à résoudre ce problème, accélérant le développement des appareils électroniques qui sont deux contrat et de rendement optimum -- et juste aussi puissant que l'esprit humain. »

Source:

The Zuckerman Institute at Columbia University