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了解大脑如何制造新记忆，保留旧记忆
科学家们开发了一种新的数学模型，有助于解释人类大脑的生物复杂性如何让它在不清除旧记忆的情况下留下新记忆。
人类的大脑过程非常复杂，以至于科学家们一直在开发数学模型以充分理解它们。 （来源：Pixabay） 一项新研究显示了我们的大脑如何在不删除旧记忆的情况下产生新记忆。
哥伦比亚科学家开发了一种新的数学模型，有助于解释人脑的生物复杂性如何让它在不清除旧记忆的情况下放置新记忆，说明大脑如何保持记忆的保真度数年、数十年甚至一生。
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该模型可以帮助神经科学家设计更有针对性的记忆研究，并刺激神经形态硬件的进步，这是受人脑启发的强大计算系统。
大脑不断地接收、组织和储存记忆。该论文的资深作者 Stefano Fusi 说，这些过程已经在无数实验中研究过，非常复杂，以至于科学家们一直在开发数学模型以充分理解它们。我们开发的模型最终解释了为什么记忆背后的生物学和化学如此复杂，以及这种复杂性如何驱动大脑的记忆能力。
人们普遍认为记忆存储在突触中，突触是神经元表面的微小结构。这些突触充当管道，传输包含在通常在神经元之间传递的电脉冲中的信息。在最早的记忆模型中，通过突触的电信号强度被比作立体声音响上的音量旋钮；它通过拨号提高（或降低）神经元之间的连接强度。这使得记忆的形成成为可能。
这些模型工作得非常好，因为它们占用了巨大的内存容量。但它们也带来了一个有趣的困境。
Fusi 博士补充说，关于突触如何运作的一个简单的、类似拨号的模型的问题在于，假设它们的强度可以无限地调高或调低，但在现实世界中这是不可能发生的。无论是立体声音响上的音量旋钮，还是任何生物系统，它的转动幅度都必须有物理限制。
当施加这些限制时，这些模型的内存容量就会崩溃。
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因此，Fusi 博士与 Zuckerman 研究所研究员 Larry Abbot 合作提供了一种替代方案，每个突触都比一个表盘更复杂，而应该被描述为具有多个表盘的系统。
2005 年，Fusi 博士和 Abbott 博士发表了解释这一想法的研究。他们描述了突触内不同的表盘如何协同工作以形成新记忆，同时保护旧记忆。但作者后来意识到，即使是那个模型也达不到他们认为的大脑，尤其是人脑可以容纳的范围。
今天《自然神经科学》论文的第一作者马库斯·本纳 (Marcus Benna) 说，我们逐渐意识到，各种突触组件或表盘不仅在不同的时间尺度上起作用，而且还可能相互交流。一旦我们将组件之间的通信添加到我们的模型中，存储容量就会增加一个巨大的因素，变得更能代表活体大脑内部所实现的目标。
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Benna 博士将这个新模型的组件比作一个通过一系列管子相互连接的烧杯系统。
在一组相互连接的烧杯中，每个烧杯都装有不同量的水，液体将倾向于在它们之间流动，从而使水位变得均衡。 Benna 博士解释说，在我们的模型中，烧杯代表突触内的各种组件。向其中一个烧杯中加入液体或取出一些液体代表新记忆的编码。随着时间的推移，由此产生的液体流将扩散到其他烧杯中，对应于记忆的长期存储。
两位研究人员都希望这项工作可以帮助实验室的神经科学家，作为指导未来实验的理论框架，最终导致对大脑的更完整和更详细的表征。
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Abbott 博士说，虽然记忆的突触基础被广泛接受，但在很大程度上要归功于诺贝尔奖获得者和祖克曼研究所联合主任 Eric Kandel 博士的工作，但要阐明突触如何支持记忆多年而不退化是极其困难的。 Benna 和 Fusi 博士应该作为研究人员探索突触分子复杂性的指南。
这种模式的技术意义也很有希望。 Fusi 博士长期以来一直对神经形态硬件、旨在模仿生物大脑的计算机很感兴趣。
Fusi 博士说，如今，神经形态硬件受到内存容量的限制，当这些系统设计为自主学习时，内存容量可能会非常低。既紧凑又节能，与人脑一样强大。
这篇题为《突触记忆巩固的计算原理》的论文在线发表在《自然神经科学》上。
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