Een nieuw model van het MIT suggereert dat astrocyten, die tot nu toe werden beschouwd als ondersteunende cellen, de sleutel kunnen zijn tot geheugenopslag en neuronen kunnen overtreffen in capaciteit en efficiëntie.
Soms zijn de hoofdrolspelers in de meest verrassende verhalen niet wie we hadden verwacht. Decennialang heeft de neurowetenschap zich bijna uitsluitend gericht op neuronen: de sterren van het zenuwstelsel, verantwoordelijk voor het verzenden en ontvangen van signalen, het construeren van gedachten en het vormen van herinneringen. Maar onderin de hersenpan bevinden zich andere cellen, veel talrijker en tot nu toe veel minder goed begrepen.
Wat als onze geheugencapaciteit niet alleen afhangt van neuronen, maar ook van onzichtbare metgezellen? Het zou verklaren hoe herinneringen worden gevormd vanaf de kindertijd, een revolutie. Onderzoekers van MIT en IBM hebben een provocerend idee voorgesteld: astrocyten – eentype gliacel dat traditioneel wordt beschouwd als een steuncel- zouden een sleutelrol kunnen spelen bij de opslag van herinneringen. Het is niet zomaar een intuïtie: het is een complex wiskundig en biologisch model dat wijst op een radicale verschuiving in hoe we de geest begrijpen.
Astrocyten: de grote onbekenden van de hersenen
Astrocyten zijn geen zeldzaamheid in de hersenen, maar het meest voorkomende celtype. Hoewel hun klassieke functie is om het chemische evenwicht te bewaren, afval op te ruimen en neuronen te helpen met voedingsstoffen en zuurstof, heeft nieuw onderzoek aangetoond dat ze nog veel meer doen. Astrocyten hebben extensies die zich om synapsen – de verbindingspunten tussen neuronen – kunnen wikkelen en structuren vormen die tripartiete synapsen worden genoemd.
Een enkele astrocyt kan contact maken met meer dan een miljoen synapsen, waardoor een enorm interactienetwerk ontstaat waarvan eerder werd gedacht dat het niet functioneel was. Lange tijd werd gedacht dat astrocyten alleen passief “luisterden”. Recente studies hebben echter aangetoond dat ze neuronale activiteit kunnen detecteren en reageren door gliotransmitters af te geven, moleculen die het signaal dat tussen neuronen wordt doorgegeven direct beïnvloeden.
Een verstorende hypothese: herinneringen voorbij neuronen
De nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, stelt een rekenmodel voor dat gebaseerd is op deze functies van astrocyten. Volgens de auteurs kan het vermogen om herinneringen op te slaan deels liggen in het netwerk van astrogliale processen, en niet alleen in neuronale synapsen zoals eerder werd gedacht.
Het voorstel van de auteurs is dat astrocyten berekeningen maken en dat deze berekeningen worden gevormd door veranderbare interne signaalwegen. Deze bewering is geen ongegronde speculatie: ze wordt ondersteund door een wiskundig model van associatief geheugen dat geïnspireerd is op kunstmatige neurale netwerken. Het is een uitbreiding van Hopfield-netwerken, die fundamenteel zijn geweest in de theoretische neurowetenschappen en in de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie.
Nieuw is dat dit nieuwe model astrocyten integreert als rekeneenheden die de opslagcapaciteit van het netwerk dramatisch kunnen vergroten. En dat doen ze dankzij hun vermogen om calcium intern te verzenden en met veel synapsen tegelijk te communiceren.
Van kunstmatige netwerken naar het menselijk brein
Het ontwikkelde model behoort tot een klasse die “Dense Associative Memories” wordt genoemd. Deze netwerken overwinnen de beperkingen van traditionele Hopfield-netwerken, die slechts een relatief klein aantal patronen kunnen opslaan. Door astrocyten op te nemen als onderling verbonden knooppunten, laat het MIT-model een schaalbare groei van de geheugencapaciteit zien: meer astrocyten, meer herinneringen mogelijk.
“Ons werk toont aan dat neuron-astrocytennetwerken een hogere wet volgen voor het schalen van het geheugen,” zeggen ze in het artikel. Dit betekent dat elke nieuwe eenheid niet alleen informatie toevoegt, maar ook de opslagcapaciteit vermenigvuldigt. De onderzoekers zeggen dat deze verbetering voortkomt uit het opslaan van herinneringen in het interne netwerk van processen van de astrocyten, niet alleen in synaptische verbindingen.
Met andere woorden, wat de astrocyten bieden is niet alleen volume, maar een structuur die in staat is om patronen van hersenactiviteit efficiënter op te slaan en terug te halen. Deze bevinding is niet in tegenspraak met de engramtheorie – het idee dat herinneringen zich bevinden in specifieke sets neuronen die tijdens het leren geactiveerd worden – maar vult deze juist aan.
Hoe passen astrocyten in de hersencomputatie?
De kern van dit voorstel is een wiskundig concept: de energiefunctie. In zo’n model wordt elke herinnering geassocieerd met een “minimum” aan energie in een abstracte ruimte. Wanneer we een deel van die herinnering activeren, heeft de hersenactiviteit de natuurlijke neiging om het patroon te voltooien en ons naar de volledige herinnering te leiden. Het is een manier om verschijnselen als herkenning of spontane herinnering te verklaren.
Het fascinerende aan het nieuwe model is dat het vierzijdige interacties introduceert via een netwerk van astrogliale processen, waardoor veel complexere en efficiëntere codering mogelijk wordt. De aanwezigheid van de T tensor, een wiskundige structuur die deze verbindingen voorstelt, is essentieel om te begrijpen hoe astrocyten interacties tussen ver verwijderde synapsen zouden kunnen vergemakkelijken en zo zouden kunnen bijdragen aan krachtigere geheugennetwerken.
Daarnaast leggen de auteurs uit dat dit systeem in simulaties in staat is om fouten te corrigeren en zelfs gedeeltelijk vervormde beelden of geluiden compleet te maken. Met andere woorden, het slaat niet alleen meer op, maar doet dat ook op een robuustere en flexibelere manier.
Implicaties voor neurowetenschappen en kunstmatige intelligentie
Dit model vormt een directe uitdaging voor een van de centrale aannames van de neurowetenschappen: dat synapsen tussen neuronen het enige substraat van het geheugen zijn. Als bevestigd wordt dat astrocyten ook informatie opslaan, zal een groot deel van de neurobiologische tekstboeken herschreven moeten worden.
Bovendien zijn de verbanden tussen dit model en de meest geavanceerde AI-systemen verrassend. Het team suggereert dat de architectuur kan interpoleren tussen dichte associatieve geheugens en aandachtsmechanismen zoals die worden gebruikt in transformatoren, de netwerken die modellen als ChatGPT aansturen.
Dit opent een onverwachte mogelijkheid: dat een beter begrip van de rol van astrocyten in de hersenen ons zal helpen om betere algoritmen voor kunstmatige intelligentie te bouwen. En, omgekeerd, dat biologisch geïnspireerde computermodellen ons kunnen helpen om geheimen te onthullen die ons brein nog steeds verbergt.
Hoe kunnen we deze theorie testen?
De volgende stap is volgens de auteurs experimenteel. Om de geldigheid van het model te testen, zou men de interne verbindingen van astrogliale processen moeten manipuleren en kijken hoe dat het geheugen beïnvloedt. Hoewel dit technisch moeilijk is, is het niet onmogelijk met de huidige moleculaire neurobiologische instrumenten.
Ze stellen ook voor om het model aan te passen aan echte fysiologische gegevens, zoals het beperken van de verbindingen tot astrogliale processen die dicht bij elkaar liggen. Dit zou de simulatie dichter bij waargenomen hersengedrag brengen en bevestigen of astrocyten inderdaad actief betrokken zijn bij geheugenvorming.
“Ons model voorspelt dat het belemmeren van calciumdiffusie door astrocyten het ophalen van herinneringen aanzienlijk zou bemoeilijken,” leggen de auteurs uit. Als toekomstige experimenten deze hypothese bevestigen, zou dat een revolutie betekenen in ons begrip van de hersenen.
