Два исследования, проведенные исследователями из Юго-Западного Университета, пролили новый свет на то, как мозг кодирует время и место в воспоминаниях. Результаты, опубликованные недавно в журнале PNAS and Science, не только дополняют фундамент фундаментальных исследований памяти, но и могут в конечном итоге стать основой для новых методов лечения потери памяти из-за таких состояний, как черепно-мозговая травма или болезнь Альцгеймера.
Около десяти лет назад у крыс была обнаружена группа нейронов, известная как «временные клетки». Эти клетки, по-видимому, играют уникальную роль в записи происходящих событий, позволяя мозгу правильно отмечать порядок того, что происходит в эпизодической памяти.
Эти клетки, расположенные в гиппокампе мозга, демонстрируют характерный паттерн активности, в то время как животные кодируют и запоминают события, объясняет Брэдли Лега, М.D., доцент кафедры неврологической хирургии UTSW и старший автор исследования PNAS. По словам Лега, срабатывая в воспроизводимой последовательности, они позволяют мозгу организовываться, когда происходят события. Время их срабатывания контролируется мозговыми волнами частотой 5 Гц, называемыми тета-колебаниями, в процессе, известном как прецессия.
Lega исследовала, есть ли у людей временные клетки, используя задачу памяти, которая предъявляет высокие требования к информации, связанной со временем. Лега и его коллеги набрали добровольцев из отдела мониторинга эпилепсии в Университете Питера О’Доннелла-младшего в Юго-Западном Калифорнии. Институт мозга, где пациенты с эпилепсией остаются в течение нескольких дней до операции, чтобы удалить поврежденные части их мозга, вызывающие судороги. По словам Лега, электроды, имплантированные в мозг этих пациентов, помогают их хирургам точно идентифицировать очаги приступа, а также предоставляют ценную информацию о внутренней работе мозга.
Во время регистрации электрической активности гиппокампа в мозгу 27 добровольцев исследователи заставили их "бесплатный отзыв" задачи, которые включали чтение списка из 12 слов в течение 30 секунд, выполнение короткой математической задачи, чтобы отвлечь их от повторения списков, а затем вспоминание как можно большего количества слов из списка в течение следующих 30 секунд. Эта задача требует связать каждое слово с отрезком времени (список, в котором оно было), что позволило Леге и его команде искать временные ячейки. То, что обнаружила команда, было захватывающим: они не только определили устойчивую популяцию временных ячеек, но и запуск этих ячеек предсказал, насколько хорошо люди могут связывать слова вместе во времени (явление, называемое временной кластеризацией). Наконец, эти клетки, по-видимому, демонстрируют фазовую прецессию у людей, как и предсказывалось.
"В течение многих лет ученые предполагали, что временные клетки похожи на клей, скрепляющий воспоминания о событиях в нашей жизни," по словам Леги. "Этот вывод особенно элегантно подтверждает эту идею."
Во втором исследовании, проведенном в Science, Брэд Пфайффер, доктор философии.D., доцент кафедры нейробиологии, возглавлял группу, исследующую клетки места – популяцию клеток гиппокампа как у животных, так и у людей, которые регистрируют, где происходят события. Исследователи давно знают, что по мере того, как животные путешествуют по пути, по которому они шли раньше, нейроны, кодирующие разные места на этом пути, будут активироваться в такой же последовательности, как временные клетки, в порядке временных событий, объясняет Пфайффер. Кроме того, пока крысы активно исследуют окружающую среду, клетки места далее организуются в "мини-последовательности" которые представляют собой виртуальную развертку локаций перед крысой. Эти подобные радару развертки происходят примерно 8-10 раз в секунду и считаются мозговым механизмом для прогнозирования ближайших предстоящих событий или результатов.
До этого исследования было известно, что, когда крысы прекращали бегать, клетки места часто реактивировались в длинных последовательностях, которые, казалось, воспроизводили предыдущий опыт крысы в обратном порядке. Хотя эти "обратное воспроизведение" было известно, что события важны для формирования памяти, было неясно, как гиппокамп мог производить такие последовательности. Действительно, значительная работа показала, что опыт должен укрепляться вперед, "смотреть вперед" последовательности, но ослабляют события обратного воспроизведения.
Чтобы определить, как эти обратные и прямые воспоминания работают вместе, Пфайффер и его коллеги поместили электроды в гиппокамп крыс, а затем позволили им исследовать два разных места: квадратную арену и длинный прямой путь. Чтобы побудить их перемещаться по этим пространствам, они разместили в разных местах колодцы с шоколадным молоком. Затем они проанализировали активность пространственных клеток животных, чтобы увидеть, как она соответствует их местоположению.
Определенные нейроны срабатывают, когда крысы блуждают по этим пространствам, кодируя информацию на месте. Эти же нейроны запускались в той же последовательности, в которой крысы возвращались по своим траекториям, и периодически запускались в обратном направлении, когда они совершали разные этапы своего путешествия. Однако, внимательно изучив данные, исследователи обнаружили кое-что новое: по мере того, как крысы перемещались по этим пространствам, их нейроны не только демонстрировали прямые предсказательные мини-последовательности, но также и обратные ретроспективные мини-последовательности. Последовательности вперед и назад чередовались друг с другом, каждая из которых занимала всего несколько десятков миллисекунд.
"Пока эти животные двигались вперед, их мозг постоянно переключался между ожиданием того, что будет дальше, и воспоминанием о том, что только что произошло, и все это происходило в пределах долей секунды," Пфайффер говорит.
Пфайффер и его команда в настоящее время изучают, какие сигналы эти клетки получают от других частей мозга, которые заставляют их действовать по этим прямым или обратным паттернам. Теоретически, говорит он, эту систему можно было бы взломать, чтобы помочь мозгу вспомнить, где произошло событие, с большей точностью. Точно так же, добавляет Лега, методы стимуляции могут в конечном итоге имитировать точную структуру временных ячеек, чтобы помочь людям более точно запоминать временные последовательности событий. Дальнейшие исследования с "В последние несколько десятилетий произошел взрыв новых открытий, касающихся памяти," он добавляет. "Расстояние между фундаментальными открытиями, сделанными на животных, и тем, как они могут помочь людям, сейчас сокращается."