升级大脑存储:量化我们的突触可以容纳多少信息

拉霍亚——每翻一次单词抽认卡，你就能更快、更容易地找到它们的定义。这个学习和记忆新信息的过程加强了你大脑中重要的联系。通过练习更容易回忆起这些新单词和定义，这证明了这些被称为突触的神经连接可以随着时间的推移而变得更强或更弱——这种特征被称为突触可塑性。

　　

在洛杉矶的索尔克研究所，科学家们开发了一种新技术，用于测量大脑中突触的强度和可塑性，这对于理解我们如何学习、记忆以及这些过程如何在衰老和疾病中衰退具有重要意义。

学习新信息并记住它们，就像你翻阅一叠词汇卡片一样，随着时间的推移，这些定义会变得更加清晰和容易回忆。这一过程加强了大脑中的重要连接。这些神经连接，即突触，随着时间的推移可以变得更强或更弱，这一特性被称为突触可塑性。

索尔克研究所的科学家们建立了一种新的方法来探索突触强度、可塑性的精确性以及信息存储量。通过量化这三个突触特征，可以提高我们对人类学习和记忆的理解，以及这些过程如何随时间演变或因年老或疾病而恶化。这项研究的发现于2024年4月23日发表在《Neural Computation》杂志上。

研究的高级作者、索尔克研究所弗朗西斯·克里克教席的持有者Terrence Sejnowski教授表示：“我们越来越擅长识别单个神经元之间的连接方式和位置，但我们仍需学习这些连接的动态特性。我们现在创造了一种技术，用于研究突触的强度、神经元调节这种强度的精确性，以及突触能够存储的信息量——这使我们发现，我们的大脑能够存储的信息量是我们以前认为的10倍。”

当信息在大脑中传递时，它从一个神经元跳到另一个神经元，从一条神经元的末端流入另一条神经元的伸展触须，即树突。每个神经元的树突上都覆盖着微小的球状突起，即树突棘，每个树突棘的末端是突触——两个细胞相遇并传递电化学信号的微小空间。不同的突触被激活以发送不同的信息。

索尔克团队应用信息论的概念，分析了大鼠海马体（大脑中涉及学习和记忆的部分）的突触对，以测量它们的强度、可塑性和可塑性的精确性。信息论是一种复杂的数学方法，用于理解信息处理作为输入通过嘈杂的通道并在另一端重建。

与以往使用的方法不同，信息论考虑了大脑众多信号和细胞的噪声，并提供了一个离散的信息单位——比特，用于测量突触处存储的信息量。

该研究的第一作者、Sejnowski实验室的博士后研究员Mohammad Samavat表示：“我们将突触按强度分为24个可能的类别，然后比较特殊的突触对，以确定每个突触的强度调节有多精确。我们很高兴发现这些对的树突棘大小和突触强度非常相似，这意味着大脑在使突触随时间变得更弱或更强时非常精确。”

除了注意到这些对内突触强度的相似性之外，这转化为高度的可塑性精确性，团队还测量了24个强度类别中的每一个所持有的信息量。尽管每个树突棘的大小不同，但24个突触强度类别中的每一个都持有相似的信息量（在4.1到4.6比特之间）。

与旧技术相比，这种使用信息论的新方法：1）更全面，考虑了大脑中的信息存储量是以前假设的10倍；2）可扩展，意味着它可以应用于多样化和大型数据集，以收集有关其他突触的信息。

德克萨斯大学奥斯汀分校的教授、该研究的作者之一Kristen Harris表示：“这种技术将对神经科学家大有帮助。深入了解突触强度和可塑性可以真正推动关于学习和记忆的研究，我们可以用它来探索人类大脑、动物大脑、年轻大脑和老年大脑的不同部分中的这些过程。”

Sejnowski表示，像国立卫生研究院的BRAIN Initiative这样的未来项目，该项目在2023年10月建立了人类脑细胞图谱，将从这个新工具中受益。除了编目脑细胞类型和行为的科学家之外，这种技术对于那些研究信息存储出错时的情况——如阿尔茨海默病——的科学家来说也是令人兴奋的。

在未来的岁月里，世界各地的研究人员可以利用这种技术，对人类大脑学习新技能、记住日常行为以及短期和长期存储信息的能力做出激动人心的发现。本文还由索尔克研究所的Thomas Bartol共同撰写。

这项突破性的研究不仅为我们提供了关于大脑如何存储信息的新视角，也为未来的神经科学研究提供了强大的新工具。随着对大脑学习和记忆机制的进一步了解，我们期待能够开发出新的治疗方法，以对抗那些影响认知功能的疾病，如阿尔茨海默病。随着这一发现的进一步研究和验证，我们有望在未来获得更多关于遗传信息传递和基因创新的科学知识，这些知识将为生物技术和医学研究开辟新的道路。遗传学领域的这一新突破，为我们提供了一个重新审视生命遗传机制的视角。随着科学家们不断探索和发现，我们对生命奥秘的理解将越来越深入，为人类健康和疾病治疗带来革命性的变革。