Stel u voor: de hippocampus – een klein hersengebied dat verantwoordelijk is voor het geheugen en de ruimtelijke oriëntatie – krijgt plotseling een superkracht. Wetenschappers hebben ontdekt dat er onder specifieke omstandigheden in neurale netwerken een ware geometrische faseovergang plaatsvindt, waardoor de geheugencapaciteit tientallen (en volgens bepaalde modellen zelfs honderden) malen groter wordt.
Klassieke theorieën over het associatieve geheugen stelden lang dat het aantal herinneringen gelijkstond aan het aantal neuronen en synapsen. Men dacht dat daar de grens lag. Nieuwe simulaties tonen echter aan dat dit lang niet het hele verhaal is. Niet de loutere hoeveelheid verbindingen speelt de hoofdrol, maar de manier waarop ze ruimtelijk georganiseerd zijn: hun geometrie en topologie.
Volgens een recent preprint-artikel springt een neuraal netwerk plotseling over naar een volledig nieuwe staat zodra een kritieke 'dichtheid' en de juiste organisatie van verbindingen worden bereikt. Vanuit een chaotische 'mist' waarin herinneringen elkaar voortdurend in de weg zitten, transformeert het netwerk naar een heldere, kristalachtige structuur. Hierdoor krijgt het brein de mogelijkheid om een enorme hoeveelheid onafhankelijke patronen op te slaan, vrijwel zonder onderlinge interferentie.
Dit proces vertoont sterke gelijkenissen met wat er met materie gebeurt tijdens een faseovergang: water verandert plotseling in ijs, of een gewoon metaal wordt een supergeleider. In dit geval is het echter de geometrie van de neuronale activiteit die 'bevriest' en ordent – met als resultaat dat het geheugen extreem omvangrijk wordt.
Als dit wordt bevestigd door echte experimenten op hersenweefsel, zullen de tekstboeken drastisch herschreven moeten worden. Theorieën over predictive coding (het voorspellende brein) krijgen dan een flinke upgrade: hoe meer onafhankelijke herinneringen het systeem kan opslaan, hoe nauwkeuriger het een model van de wereld bouwt en hoe minder fouten het maakt.
Op de lange termijn is deze ontdekking op twee fronten van groot belang. Voor de medische wereld opent dit nieuwe wegen in het onderzoek naar Alzheimer, PTSS en andere geheugengerelateerde aandoeningen. Voor kunstmatige intelligentie biedt het handvatten om systemen te ontwikkelen die de context langer vasthouden en soepeler omgaan met gigantische hoeveelheden informatie.
Het brein blijkt dus een stuk vernuftiger en plastischer dan we voor mogelijk hielden. Soms is er voor een enorme sprong in capaciteit geen brute kracht nodig in de vorm van miljoenen nieuwe neuronen, maar simpelweg de juiste geometrie. De natuur heeft, zoals altijd, een elegante oplossing gevonden.
