Mengingat informasi dapat berarti menyimpannya di antara sinapsis

ringkasan: Temuan ini mendukung pemikiran baru-baru ini bahwa jaringan saraf menyimpan informasi dengan membuat modifikasi jangka pendek pada sinapsis. Studi ini menyoroti baru pada plastisitas sinaptik jangka pendek dalam penyimpanan memori baru-baru ini.

Sumber: Institut Pembelajaran dan Memori Piccoer

Antara saat Anda membaca kata sandi Wi-Fi dari papan menu kedai kopi dan saat Anda dapat kembali ke laptop untuk memasukkannya, Anda harus mengingatnya. Jika Anda pernah bertanya-tanya bagaimana otak Anda melakukan ini, Anda mengajukan pertanyaan tentang memori kerja yang telah dicari oleh para peneliti selama beberapa dekade untuk dijelaskan. Sekarang ahli saraf MIT telah menerbitkan keynote baru untuk menjelaskan cara kerjanya.

Dalam sebuah studi di Biologi Komputasi PLOS, Ilmuwan di Picower Institute for Learning and Memory membandingkan pengukuran aktivitas sel otak pada hewan yang melakukan tugas memori kerja dengan keluaran model komputer berbeda yang mewakili dua teori mekanisme dasar untuk mengingat informasi.

Hasilnya sangat mendukung gagasan yang lebih baru bahwa jaringan neuron menyimpan informasi dengan membuat perubahan jangka pendek dalam pola koneksi mereka, atau sinapsis, dan kontras dengan alternatif tradisional mempertahankan memori oleh neuron yang tetap aktif secara konstan (seperti menganggur). bermotor.) .

Sementara kedua model memungkinkan informasi untuk ditampilkan, versi yang memungkinkan sinapsis mengubah koneksi secara sementara (“plastisitas sinaptik jangka pendek”) menghasilkan pola aktivitas saraf yang meniru apa yang sebenarnya diamati di otak nyata yang sedang bekerja.

Gagasan bahwa sel-sel otak mempertahankan ingatan dengan selalu “menyala” mungkin lebih sederhana, diakui oleh penulis senior Earl K. Miller, tetapi ini bukanlah apa yang dilakukan oleh alam dan tidak dapat menghasilkan plastisitas kompleks pemikiran yang dapat muncul dari diskontinuitas. Aktivitas saraf didukung oleh plastisitas sinaptik jangka pendek.

“Anda memerlukan mekanisme semacam ini untuk memberikan aktivitas memori kerja kebebasan yang dibutuhkan agar fleksibel,” kata Miller, BCS, Profesor Ilmu Saraf MIT. “Jika memori kerja hanyalah aktivitas berkelanjutan dengan sendirinya, itu akan sesederhana saklar lampu. Tapi memori kerja sama kompleks dan dinamisnya dengan pikiran kita.”

Mencocokkan model komputer dengan data dunia nyata sangat penting, kata rekan penulis Leo Kozakov, yang menerima gelar Ph.D. dari MIT pada bulan November untuk pekerjaan pemodelan teoretis termasuk studi ini.

Kebanyakan orang berpikir bahwa memori kerja “terjadi” di neuron – aktivitas saraf konstan yang mengarah pada pemikiran yang sedang berlangsung. Namun, pandangan ini telah mendapat sorotan baru-baru ini karena tidak benar-benar sesuai dengan data,” kata Kozakov yang diawasi bersama oleh penulis utama Jean-Jacques Slotin, seorang profesor BCS dan teknik mesin.

“Dengan menggunakan jaringan saraf tiruan dengan plastisitas sinaptik jangka pendek, kami menunjukkan bahwa aktivitas sinaptik (daripada aktivitas saraf) dapat menjadi substrat untuk memori kerja. Hal penting yang dapat diambil dari makalah kami adalah ini: model jaringan saraf ‘plastik’ ini lebih bersifat otak -seperti, dalam arti kuantitatif, dan mereka juga memiliki manfaat fungsional tambahan dalam hal daya tahan.”

Mencocokkan bentuk dengan alam

Bersama dengan rekan penulis John Tauber, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT, tujuan Kozakov bukan hanya untuk menentukan bagaimana informasi memori kerja berperan, tetapi untuk menjelaskan bagaimana sebenarnya alam melakukannya. Itu berarti dimulai dengan pengukuran “kebenaran dasar” dari aktivitas listrik ratusan neuron di korteks prefrontal hewan saat sedang memainkan permainan memori kerja. Di setiap putaran, hewan itu diperlihatkan sebuah gambar, yang kemudian menghilang.

Sesaat kemudian, dia akan melihat dua gambar termasuk yang asli dan dia harus melihat gambar aslinya untuk mendapatkan sedikit hadiah. Momen kuncinya adalah detik yang tumpang tindih, yang disebut ‘periode penundaan’, di mana gambar harus dipertimbangkan sebelum pengujian.

Tim secara konsisten mengamati apa yang telah dilihat lab Miller berkali-kali sebelumnya: Neuron banyak menyala saat melihat gambar asli, hanya secara sporadis selama penundaan, dan kemudian meningkat lagi saat gambar harus dipanggil kembali selama pengujian (dinamika ini diatur oleh interaksi antara ritme frekuensi beta dan gamma otak). Dengan kata lain, lonjakan kuat ketika informasi harus disimpan pada awalnya dan ketika harus diambil kembali, tetapi hanya sporadis ketika harus dipertahankan. Lonjakan tidak berlanjut selama penundaan.

Selanjutnya, tim melatih “decoder” perangkat lunak untuk membaca informasi memori kerja dari pengukuran aktivitas lonjakan. Itu sangat akurat saat tinggi tinggi, tetapi tidak saat rendah, seperti pada periode penundaan. Ini menunjukkan bahwa lonjakan kecepatan tidak merepresentasikan informasi selama penundaan. Tapi ini menimbulkan pertanyaan penting: Jika Anda tidak mengingat informasinya, apa yang Anda lakukan?

Para peneliti, termasuk Mark Stokes dari University of Oxford, menyatakan bahwa perubahan kekuatan relatif, atau “bobot” sinapsis, dapat menyimpan informasi sebagai gantinya. Tim MIT menguji ide ini dengan memodelkan jaringan saraf secara komputasi yang mewujudkan dua versi dari setiap teori utama. Seperti hewan asli, jaringan pembelajaran mesin dilatih untuk melakukan tugas memori kerja yang sama dan aktivitas saraf keluaran yang juga dapat ditafsirkan oleh dekoder.

Hasilnya adalah bahwa jaringan komputasi yang memungkinkan plastisitas sinaptik jangka pendek untuk menyandikan informasi meningkat ketika otak sebenarnya meningkat dan tidak ketika tidak. Jaringan yang menonjolkan elevasi sebagai cara melestarikan ingatan melonjak sepanjang waktu, termasuk ketika otak normal tidak melakukannya. Hasil decoder menunjukkan bahwa akurasi menurun selama periode penundaan dalam model plastisitas sinaptik tetapi tetap tinggi secara tidak normal dalam model spiking kontinu.

Di lapisan analisis lainnya, tim membuat decoder untuk membaca informasi dari bobot sinaptik. Mereka menemukan bahwa selama penundaan, sinapsis mewakili informasi memori kerja yang tidak ditunjukkan oleh lonjakan.

Dari dua versi model yang menampilkan ketahanan sinaptik jangka pendek, kata Kozakov, tipe yang lebih realistis disebut “PS-Hebb”, yang menampilkan loop umpan balik negatif yang menjaga jaringan saraf tetap stabil dan kuat.

Bagaimana memori kerja bekerja

Selain sifat pencocokan yang lebih baik, model plastisitas sinaptik juga memberi manfaat lain yang berpotensi penting bagi otak nyata. Salah satunya adalah bahwa model plastisitas mempertahankan informasi dalam bobot sinaptiknya bahkan setelah setengah dari neuron buatan telah “dipotong”.

Paradigma aktivitas berkelanjutan rusak setelah hanya 10-20 persen sinapsisnya yang hilang. Kadang-kadang gelombang yang tiba-tiba membutuhkan lebih sedikit energi daripada serangan yang berkelanjutan, tambah Miller.

Selain itu, kata Miller, semburan cepat dari lonjakan tiba-tiba daripada lonjakan terus menerus menyisakan ruang untuk menyimpan lebih dari satu item dalam memori. Penelitian telah menunjukkan bahwa orang dapat menyimpan hingga empat hal berbeda dalam memori kerja mereka.

Lihat juga

Laboratorium Miller merencanakan eksperimen baru untuk menentukan apakah model dengan penyimpanan dan informasi intermiten intermiten berdasarkan berat sinaptik cukup cocok dengan data saraf nyata ketika hewan harus mengingat banyak hal, bukan hanya satu gambar.

Selain Miller, Kozachkov, Tauber, dan Slotine, penulis makalah lainnya adalah Mikael Lundqvist dan Scott Brincat.

Pendanaan: Office of Naval Research dan JPB, ERC, dan VR Foundation mendanai penelitian tersebut.

Tentang penelitian ini tentang berita plastisitas sinaptik

pengarang: David Orenstein
Sumber: Institut Pembelajaran dan Memori Piccoer
komunikasi: David Orenstein – Institut Pembelajaran dan Memori Picquer
gambar: Gambar berada di domain publik

Pencarian asli: akses terbuka.
“Memori kerja yang kuat dan mirip otak melalui plastisitas sinaptik jangka pendekOleh Earl K. Miller dkk. Biologi Komputasi PLOS

ringkasan

Memori kerja yang kuat dan mirip otak melalui plastisitas sinaptik jangka pendek

Sudah lama dipikirkan bahwa memori kerja muncul dari dinamika elevasi/gravitasi yang konstan. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa plastisitas sinaptik jarak pendek (STSP) dapat membantu mempertahankan keadaan gravitasi dari waktu ke waktu dengan sedikit atau tanpa peningkatan.

Untuk menentukan apakah STSP memberikan keuntungan fungsional tambahan, kami melatih jaringan saraf tiruan berulang (RNN) dengan dan tanpa STSP untuk melakukan tugas memori kerja objek. Kami menemukan bahwa RNN dengan dan tanpa STSP dapat menyimpan memori meskipun ada gangguan yang terjadi di tengah penundaan memori.

Namun, RNN dengan STSP menunjukkan aktivitas yang mirip dengan yang terlihat di korteks primata non-manusia (NHP) yang melakukan tugas yang sama. Sebaliknya, RNN tanpa STSP menunjukkan aktivitas yang kurang seperti otak. Selain itu, RNN dengan STSP lebih kuat terhadap degradasi jaringan daripada RNN tanpa STSP.

Hasil ini menunjukkan bahwa STSP tidak hanya dapat membantu melestarikan memori kerja, tetapi juga membuat jaringan saraf lebih kuat dan seperti otak.