Астроциты выполняют в мозге много задач: удаляют отходы, питают нейроны и следят за кровоснабжением. Они также имеют тонкие отростки, которыми могут обхватывать отдельные синапсы — места контакта между двумя нейронами, образуя трехкомпонентный синапс. За последние пару лет ученые выяснили, что если нарушить связь между астроцитами и нейронами в гиппокампе (области мозга, важной для памяти), то ухудшатся процессы запоминания и воспроизведения информации.

В отличие от нейронов, астроциты не генерируют электрические импульсы, но общаются друг с другом с помощью кальциевых сигналов.

Ученые обнаружили, что эти сигналы также позволяют астроцитам согласовывать свою работу с нейронами в связанных синапсах. Астроциты чувствуют активность нейронов и меняют уровень кальция, в результате чего выделяют глиотрансмиттеры (сигнальные молекулы) в синапс. То есть существует замкнутый круг между сигнализацией нейронов и сигнализацией астроцитов к нейронам.

Команда MIT решила смоделировать, как эти связи участвуют в хранении памяти. Их модель основана на сетях Хопфилда — типе нейронных сетей, которые могут запоминать и воспроизводить образы и часто применяются для моделирования мозга. Однако было показано, что они не способны хранить достаточно информации, чтобы объяснить большой объем памяти человека. Более новая, улучшенная версия сети Хопфилда, «плотная ассоциативная память», вмещает гораздо больше информации посредством более высокого порядка связей между более чем двумя нейронами.

Однако неясно, как мозг мог бы реализовать эти многонейронные связи в гипотетическом синапсе, поскольку обычные синапсы соединяют только два нейрона — пресинаптическую клетку и постсинаптическую клетку. Именно здесь в дело вступают астроциты. Разработанная исследователями модель ассоциативной памяти «нейрон-астроцит» может хранить намного больше информации, чем традиционная сеть Хопфилда.

Обширные биологические связи между нейронами и астроцитами могут объяснить, как мозг хранит воспоминания. Исследователи предполагают, что в астроцитах память кодируется через постепенные изменения потоков кальция.

Эта информация передается нейронам с помощью глиотрансмиттеров, выделяемых в местах контакта отростков астроцитов с синапсами. Ученые считают, что скоординированные изменения кальция в астроцитах и передача сигналов обратно нейронам могут обеспечить необходимую динамику для увеличения объема памяти. Астроциты рассматриваются не как единое целое, а как совокупность независимых отростков, каждый из которых функционирует как отдельная вычислительная единица. Система может эффективно использовать эти вычислительные элементы для хранения большого объема информации.

Чтобы проверить, насколько модель отражает хранение памяти в мозге, исследователи могли бы попытаться управлять связями между отростками астроцитов и наблюдать, как это повлияет на память. Помимо понимания механизмов мозга, модель может помочь и в разработке искусственного интеллекта. Изменяя связи между отростками, исследователи смогут создавать модели для различных целей.