Tussen de axon (groen) en de synaps (geel) vindt druk verkeer plaats (afb: Salk-instituut)
Aan onze hersens worden toch al allerlei grote getallen toegeschreven, maar naar nu (b)lijkt zijn die getallen nog ruimschoots te kleine. Onderzoekers van het Salk-instituut (VS) en de universiteit van Texas in Austin denken te weten dat de geheugencapaciteit tien keer groter is dan tot nu toe werd aangenomen/geschat. De onderzoekers hebben ook meer inzicht gekregen in de energiezuinige werkwijze van hersens. We hebben het dan nog maar over rattenhersens. Daar kunnen hedendaagse computers nog een stevige punt aan zuigen…
“We ontdekten hoe hippocampuscellen met een laag energieverbruik een grote capaciteit hebben. Onze metingen van de geheugencapaciteit komen uit op tenminste 1 petabyte (1015;as), zoiets als het hele wereldwijde web”, zegt Terry Sejnowksi van het Salk-instituut, een privaat gefinancierd onderzoeksinstelling op het gebied van biologie.
Zoals bekend (mag worden verondersteld) vormen cellen in de hersens netwerken die communiceren via lange uitlopers (axonen en dendrieten). De communicatie is chemisch en elektrisch van aard: neurotransmitters ‘vertellen’ een cel of die een elektrische signaal moeten doorgeven aan andere cellen. Elke hersencel kan duizenden verbindingen hebben met andere hersencellen. “Toen we eerst elke dendriet, axon en synaps van een stukje hippocampus ter grootte van een rood bloedlichaampje wilden reconstrueren, waren we wat confuus van de complexiteit en de verscheidenheid aan synapsen”, zegt Kristen Harris van de universiteit van Texas. “Terwijl ik hoopte te leren hoe hersens georganiseerd zijn, raakte ik verbaasd over de precisie.”
Synapsen, de verbindingsplaatsen tussen de hersencellen, vormen, zoals veel in de hersens, voornamelijk een mysterie. Grotere synapsen met een groter raakvlak en meer ‘bootjes’ (vesikels) met neurotransmitters, zijn sterker, waardoor ze waarschijnlijk meer invloed hebben op de omliggende cellen dan middelgrote of kleine synapsen. Toen de onderzoekers van het Salk-instituut bezig waren met het beschrijven van een ruimtelijk model van een rattenhippocampus (het geheugen van de hersens), ontdekten ze dat in sommige gevallen een axon twee synapsen vormde die zich verbonden met een dendriet van een aanpalende cel. Het lijkt er dan op dat de ene cel een dubbele boodschap stuurt naar de tweede. Dat was in 10% van de gevallen zo. De onderzoekers besteedden daar aanvankelijk weinig aandacht aan, maar toen kwam een van de onderzoekers op het idee dat als je het verschil tussen deze twee synapsen kunt meten, dat je dan enig inzicht zou kunnen krijgen in de synapsgrootte. Die twee synapsen bleken nagenoeg identiek; een verschil van gemiddeld slechts 8%. De geheugencapaciteit van hersencellen is afhankelijk van de synapsgrootte. Gewapend met die extra informatie berekenden de onderzoekers toen hoeveel informatie in die synaptische verbindingen konden worden opgeslagen.
Bekend was dat de grootste synapsen 60 keer groter zijn dan de kleinste. Om een lang verhaal kort te maken: de onderzoekers kwamen tot een veel verfijndere klassificering van de synapsgrootte, zo’n 26. Elke synaps, rekenden ze uit, zou zo’n 4,7 bit aan informatie kunnen opslaan. Daaruit berekenden de onderzoekers dat de opslagcapaciteit zo’n tien keer groter is dan tot nu toe werd aangenomen. Sejnowski: “Het is slechts een orde van grootte.”
Wat het allemaal ingewikkelder maakt is dat de synapsen in de hippocampus notoir ‘onbetrouwbaar’ zijn. Slechts een tot twee op de tien signalen activeert een volgend neuron. Hoe die precisie en onbetrouwbaarheid toch kunnen samengaan is (alweer) een grote vraag. Sejnowski: “Verborgen onder die ogenschijnlijke chaos en rommel ligt een precisie, afhankelijk van de grootte en vorm van de synapsen, die we nooit gezien hebben.” De onderzoekers denken nu toch te weten waardoor hersens zo’n fenomenale prestatie kunnen leveren voor weinig energie (20 W). Sejnowski: “Waarschijnlijkheidsoverdracht blijkt accuraat te zijn en gebruikt veel minder energie dan computers doen.” Hier en daar volg ik de redenering niet helemaal (Waarom, bijvoorbeeld, leveren veel miskleunen een zuiniger systeem op?), maar ik wacht in spanning de bouw van een synapscomputer af.
Bron: EurekAlert