De geheugencapaciteit van het menselijk brein is een orde van grootte groter dan tot nu toe werd gedacht, meldden onderzoekers van het Salk Institute for Biological Studies vorige week. De bevindingen, die onlangs in eLife zijn gepubliceerd, zijn niet alleen belangrijk vanwege wat ze zeggen over de opslagruimte, maar ook omdat ze ons een beter inzicht geven in hoe informatie precies in onze hersenen wordt gecodeerd.
De vraag hoeveel informatie onze hersenen kunnen bevatten, is al heel lang aan de orde. We weten dat het menselijk brein uit ongeveer 100 miljard neuronen bestaat, en dat elk daarvan 1.000 of meer verbindingen met andere neuronen maakt, wat in totaal neerkomt op zo’n 100 biljoen. We weten ook dat de sterkte van deze verbindingen, of synapsen, wordt geregeld door ervaring. Wanneer twee neuronen aan weerszijden van een synaps gelijktijdig actief zijn, wordt die synaps sterker; de dendritische wervelkolom (de antenne op het ontvangende neuron) wordt ook groter om de toegenomen signaalsterkte te ondersteunen. Deze veranderingen in sterkte en grootte worden verondersteld de moleculaire correlaten van het geheugen te zijn. De verschillende antennegroottes worden vaak vergeleken met bits van computercode, alleen kunnen zij in plaats van 1-en en 0-en een reeks waarden aannemen. Tot vorige week hadden wetenschappers geen idee hoeveel waarden dat precies waren. Op basis van ruwe metingen hadden zij er slechts drie geïdentificeerd: klein, middelgroot en groot.
Maar een merkwaardige waarneming bracht het Salk-team ertoe deze metingen te verfijnen. Tijdens het reconstrueren van een hippocampus van een rat, een deel van de hersenen van zoogdieren dat betrokken is bij geheugenopslag, merkten ze dat sommige neuronen twee verbindingen met elkaar vormden: de axon (of zendkabel) van een neuron maakte verbinding met twee dendritische stekels (of ontvangstantennes) op hetzelfde naburige neuron, wat suggereerde dat dubbele berichten werden doorgegeven van zender naar ontvanger. Omdat beide dendrieten identieke informatie ontvingen, vermoedden de onderzoekers dat ze even groot en sterk zouden zijn. Maar ze realiseerden zich ook dat als er significante verschillen waren tussen de twee, dit zou kunnen wijzen op een geheel nieuwe laag van complexiteit. Als de stekels een andere vorm of grootte hadden, zo redeneerden zij, zou de boodschap die zij doorgaven ook enigszins anders zijn, zelfs als die boodschap van hetzelfde axon afkomstig was.
Dus besloten zij de synapsen te meten. En inderdaad, ze vonden een verschil van 8% in grootte tussen dendritische stekels die verbonden waren met hetzelfde axon van een signaalneuron. Dat verschil lijkt misschien klein, maar toen ze de waarde in hun algoritmen invoerden, berekenden ze een totaal van 26 unieke synapsgroottes. Een groter aantal synapsgrootten betekent meer capaciteit om informatie op te slaan, wat zich in dit geval vertaalde in een 10-voudig grotere opslagcapaciteit in de hippocampus als geheel dan het vorige model met drie groottes had aangegeven. “Het is een orde van grootte meer capaciteit dan we wisten dat er was,” zegt Tom Bartol, een stafwetenschapper aan het Salk Institute en de hoofdauteur van de studie.
Maar als onze geheugencapaciteit zo groot is, waarom vergeten we dan dingen? Omdat het niet echt om de capaciteit gaat, zegt Paul Reber, een geheugenonderzoeker aan de Northwestern University die niet bij de studie betrokken was: “Elke analyse van het aantal neuronen zal leiden tot een gevoel van de enorme capaciteit van het menselijk brein. Maar het doet er niet toe omdat ons opslagproces trager is dan onze ervaring van de wereld. Stel je een iPod voor met een oneindige opslagcapaciteit. Zelfs als je elk liedje dat ooit is geschreven kunt opslaan, moet je nog steeds al die muziek kopen en uploaden en dan afzonderlijke liedjes tevoorschijn halen als je ze wilt afspelen.”
Reber zegt dat het bijna onmogelijk is om de hoeveelheid informatie in het menselijk brein te kwantificeren, deels omdat het uit zoveel meer informatie bestaat dan waar we ons bewust van zijn: niet alleen feiten en gezichten en meetbare vaardigheden, maar basisfuncties zoals hoe je spreekt en beweegt en hogere-orde functies zoals hoe je emoties voelt en uitdrukt. “We nemen veel meer informatie uit de wereld op dan ‘wat herinner ik me van gisteren?'” zegt Reber. “En we weten nog steeds niet echt hoe we moeten opschalen van het berekenen van synaptische sterkte naar het in kaart brengen van deze complexe processen.”
De Salk-studie brengt ons echter wel een beetje dichterbij. “Ze hebben een geweldige reconstructie gemaakt,” zegt Reber. “Het voegt veel toe aan ons begrip van niet alleen de geheugencapaciteit, maar vooral ook van hoe complex geheugenopslag eigenlijk is. De bevindingen kunnen uiteindelijk de weg vrijmaken voor allerlei verbeteringen: energiezuinigere computers die de datatransmissiestrategieën van het menselijk brein nabootsen, bijvoorbeeld, of een beter begrip van hersenziekten waarbij sprake is van slecht functionerende synapsen.
Maar eerst moeten wetenschappers zien of de patronen die in de hippocampus zijn gevonden ook gelden voor andere hersengebieden. Bartol’s team is al bezig om deze vraag te beantwoorden. Zij hopen de chemische stoffen in kaart te brengen die van neuron tot neuron gaan en die een nog groter vermogen hebben dan de variabele synapsen om informatie op te slaan en door te geven. Wat betreft een precieze meting van de capaciteit van de hele hersenen, “zijn we nog ver verwijderd”, zegt Bartol. “De hersenen bevatten nog veel meer mysteries die we nog moeten ontdekken.”
“Herinneringen leven misschien niet in de synapsen van neuronen”
“Kunnen je hersenen echt ‘vol’ zijn?”
“Herinneringen opnieuw opbouwen zorgt ervoor dat ze blijven hangen”
“Waarom is geheugen zo goed en zo slecht?”