Zrozumieć pamięć: Nowe oblicze astrocytów

 

Grafika wygenerowana przy pomocy Chat GPT.

Mózg człowieka przez dekady był postrzegany jako struktura zdominowana przez neurony, czyli komórki wyspecjalizowane w przewodzeniu impulsów i odpowiedzialne za wszelkie funkcje poznawcze, w tym pamięć. Komórki glejowe, stanowiące około połowy komórek mózgu, przez długi czas traktowano jako bierne elementy strukturalne, pełniące funkcje pomocnicze. Wśród nich astrocyty były uważane głównie za komórki wspierające metabolizm neuronów czy regulujące przepływ krwi. Jednak najnowsze badania podważają tę narrację, sugerując, że astrocyty mogą być integralną częścią systemu przetwarzania informacji w mózgu.

W dzisiejszym artykule zostanie omówione przełomowe badanie opublikowane przez Kozachkova i in. (2025) na łamach Proceedings of the National Academy of Sciences. Badacze ci zaprezentowali teoretyczny i obliczeniowy model sieci neuronowo-astrocytowej, który rzuca nowe światło na rolę astrocytów i rozszerza dotychczasowe rozumienie ich funkcji, wskazując na ich aktywną rolę w przechowywaniu i odtwarzaniu pamięci.

Astrocyty to największe spośród komórek glejowych ośrodkowego układu nerwowego, które mają nieregularne kształty z dużą liczbą wypustek, przez co nieco przypominać mogą gwiazdy w obrazie mikroskopowym. Obecne są w niemal każdej części mózgu. Tworzą tzw. tripartite synapses, czyli „trójczłonowe synapsy”, gdzie jedna synapsa składa się nie tylko z presynaptycznego i postsynaptycznego neuronu, ale także z wypustki astrocyta, który otacza tę synapsę. Warto wspomnieć, że pojedynczy astrocyt może mieć kontakt z ponad milionem takich struktur. Znane są ze swojej roli w homeostazie, kontroli poziomu jonów, neuroprzekaźników, a także regulacji przepływu krwi – mają swój udział w tworzeniu bariery krew-mózg. Jak dotąd uważano, że ich funkcje zostały dobrze poznane, jednak dopiero na przestrzeni ostatnich latach, zauważono że mogą pełnić także inne ważne role, a mianowicie są aktywnymi uczestnikami procesów poznawczych, w tym m.in. uczenia się oraz zapamiętywania. Obserwacje, że astrocyty reagują na aktywność neuronów, a także biorą udział w tzw. engramach (biologicznych śladach pamięciowych) nasunęły pytania o ich funkcję obliczeniową.

Autorzy omawianego artykułu postawili sobie ambitny cel opracowania modelu teoretycznego, który opisze, w jaki sposób neurony, synapsy oraz bohaterowie dzisiejszego artykułu – astrocyty – mogą wspólnie tworzyć system pamięci asocjacyjnej (jeden z rodzajów pamięci długotrwałej, polegającej w dużym stopniu na wyszukiwaniu i odnajdywaniu informacji na zasadzie skojarzeń). Hipoteza zakładała, że “sygnały wapniowe” (Ca²⁺) w wypustkach astrocytarnych mogą stanowić nośnik pamięci — analogiczny do synaptycznych wag w klasycznych modelach neuronalnych.

Autorzy pracy założyli, że nie tylko neurony, ale również sieci wypustek astrocytarnych mogą pełnić funkcję jednostek obliczeniowych, które umożliwiają przechowywanie informacji. Co więcej, ich model przewidywał, że sieci neuronowo-astrocytowe mogą przewyższyć klasyczne sieci neuronowe pod względem pojemności pamięci.

Zespół stworzył matematyczny model sieci, w której każda komórka (neuron, synapsa, astrocyt) opisana była za pomocą równań różniczkowych. W ten sposób stworzyli model dynamiczny, złożony z trzech warstw: neuronalnej, synaptycznej i astrocytarnej. Każdy z tych komponentów miał przypisany funkcję opisującą jego energię (Lagrangian). W oparciu o te funkcje obliczono trajektorie systemu, czyli sposób, w jaki system zmierza do stabilnych punktów, utożsamianych z przechowywanymi wspomnieniami. Model pozwolił na stworzenie tzw. Gęstej Pamięci Asocjacyjnej (Dense Associative Memory), w której astrocyty odgrywały rolę „komunikatorów” między oddalonymi od siebie neuronów, tym samym pozwalając na tworzenie struktury „cztero-neuronowe”, znacznie bardziej złożone niż typowe dwu-neuronowe synapsy.

Model wykazał, że sieci neuronowo-astrocytowe mogą przechowywać znacznie więcej wspomnień niż te tradycyjne sieci Hopfielda. W tradycyjnych modelach liczba możliwych do zapisania wspomnień rośnie wprost proporcjonalnie do liczby neuronów. Tymczasem w modelu Kozachkova i in. ta pojemność rosła znacznie szybciej wraz z kwadratem liczby jednostek obliczeniowych (w tym konkretnym przypadku kwadratem liczby neuronów, synaps i wypustek astrocytarnych).

Naukowcy doszli do wniosku, że astrocyty mogą być aktywnymi uczestnikami przechowywania informacji w mózgu, a nie jedynie pasywnymi regulatorami środowiska neuronalnego. Ich wypustki, łącząc się ze sobą i z neuronami, mogą przechowywać wspomnienia w postaci wzorców sygnałów wapniowych, analogicznych do wag synaptycznych. Jest to przełomowa teza, jednocześnie wymaga ona dalszych badań eksperymentalnych. Autorzy sugerują, że ograniczenie przepływu kationów Ca²⁺ w astrocytach mogłoby zaburzać przywoływanie pamięci, co byłoby testowalną hipotezą do sprawdzenia w warunkach in vivo.

Jednym z najbardziej zaskakujących aspektów pracy było to, jak dalece niedoceniane były dotąd te gwieździstokształtne komórki glejowe. Postrzegane jako przysłowiowy „klej”, spoiwo układu nerwowego, w rzeczywistości mogą faktycznie być głównymi “czarnymi końmi” pamięci oraz świadomości. Ich liczba w mózgu, rozmiar, a także złożoność wypustek w mózgach naczelnych, która jest znacznie większa niż u gryzoni, wskazywać mogą na wysoki potencjał obliczeniowy, który dopiero zaczynamy rozumieć.

Model neuronowo-astrocytowy może otworzyć nowe drogi, zarówno dla neurobiologii, jak i dla rozwoju sztucznej inteligencji. Może inspirować nowe architektury sieci neuronowych, które lepiej odwzorowują funkcje biologicznego mózgu. Z drugiej strony, może też pomóc w opracowywaniu terapii zaburzeń pamięci, jeśli faktycznie potwierdzone zostanie, że astrocyty odgrywają rolę w patogenezie chorób neurodegeneracyjnych.

Badanie Kozachkova i współpracowników stanowi istotny krok w kierunku zrozumienia, że inteligencja i pamięć nie są jedynie domeną neuronów. Być może najważniejszy składnik naszego umysłu znajdował się tuż obok, w cichych, ale wysoce zdolnych astrocytach. Ich potencjał jako nośników pamięci może zmienić nie tylko nasze rozumienie mózgu, ale i sposób, w jaki projektujemy sztuczne systemy uczące się.

Literatura:

Kozachkov L., Slotine J.J., Krotov D. 2025. Neuron-astrocyte associative memory, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 27:122(21):e2417788122. doi: 10.1073/pnas.2417788122.