Погляд на те, як наш мозок організовує спогади з часом

Дослідження організації нашої пам’яті давно стали предметом захоплення нейрологів, враховуючи, що це може призвести до лікування зворотних когнітивних порушень. Тут ми розглядаємо деякі нещодавні висновки про те, як організована пам’ять, які показують важливість скоординованої “хвилі” нейрональної діяльності в просторовій навігації та часовий характер, що лежить в основі того, як кодуються пов’язані спогади.

З цією метою результати, описані в цьому документі, висвітлюють вирішальну та змінну роль гіпокампу - центру пам'яті мозку - у формуванні та консолідації наших спогадів та, як наслідок, почуття своєї ідентичності.

Диригування нейронного «оркестру» мозку: просторові карти в нашому розумі

Як для миші оновлюється і створюється карта простору, коли вона орієнтується у своєму оточенні? В недавньому дослідженні вчені вперше повідомляють, що центральна область гіпокампа CA1 в мозку миші відповідає за цю карту - і що це відбувається за допомогою введення нервових хвиль з областей мозку поблизу. Щоб продемонструвати це, зоною CA3 гіпокампа, розташованою поблизу CA1, маніпулювали таким чином, що її вхід було відключено. Справді, коли введення було зупинено, відбулося значне перемішування оновлених карт.

У цьому дослідженні миші були генетично сконструйовані для експресії токсину в СА3, який зупинив функцію синаптичних з’єднань, що з’єднують СА3 з іншими областями мозку. Це не змінює нейрональну активність, але усуває зв'язок між синапсами і дозволило вченим дослідити, що відбувається з картою космосу в CA1, коли вхід CA3 був виключений.

Потім реєстрували електричний струм від окремих нейронів та загальний електричний струм від більшої групи нейронів (які називаються потенціалами локального поля), коли миші бігали по доріжці. Тоді вчені змогли б виміряти кожен тета-цикл, або час, протягом якого нейронна просторова карта в гіпокампі оновлювалася, як визначається активністю мишей.

Незважаючи на те, що трансгенні миші не мали труднощів у виконанні навігаційного завдання, а сигнали поодиноких нейронів могли точно представляти просторову інформацію, ключовим висновком було те, що були явні помилки в організації цих нейрональних сигналів на глобальному популяційному рівні. Простий аналогією, щоб проілюструвати це, було б те, що усунення вхідного сигналу від CA3 до CA1 не змінило нейронну «музику», а замість цього видалило «провідника».

Це дослідження є першим, хто проливає світло на схему, що з’єднує ансамблі клітин місця (тип нейрона гіпокампа, що бере участь у просторовій навігації), і те, як вони оновлюються. Більш конкретно, видалення вхідного сигналу CA3 перешкоджатиме спрогнозуванню просторового розташування. Це підкреслює критичну важливість нейронів, які активуються послідовно, щоб ми могли організувати спогади протягом часу.

Тут ми бачимо, що нервовому "оркестру" потрібен "диригент" у вигляді введення СА3, і що окремих нейронів в гіпокампі недостатньо для створення функціонуючої карти простору. Це підкреслює взаємозалежність стратегій, що визначають кодування нейронів. Примітно, що спостерігалося помітне зменшення нейронних коливань, характерних для зв'язку від CA3 до CA1. Враховуючи, що такі порушення раніше були пов’язані з нейродегенеративними захворюваннями, такими як хвороба Альцгеймера, майбутня робота з організації мозкового ритму може, отже, покращити розуміння того, як організована схема мозку при таких захворюваннях.

Втрата зв’язків між пов’язаними спогадами з часом - чи можна це змінити?

В іншому дослідженні група вчених використовувала крихітний мікроскоп (названий мініскопом), щоб розглянути мозок через мініатюрне вікно та дослідити, як спогади в мозку пов’язуються з часом.Хоча такі зв’язки з віком поступово слабшають, ці вчені змогли створити спосіб, що дозволяє відновити окремі спогади в мозку миші середнього віку. Важливо, що це має величезний потенціал для розвитку у пацієнтів з віковою деменцією.

Мініскоп, встановлений на голові, використаний у цьому дослідженні, дозволив вченим візуалізувати нейрони, які стріляють у мозку, оскільки мишам дозволялося вільно пересуватися. Для цього дослідження було використано три унікальні коробки, і в першій частині дослідження брали участь молоді миші. Тут кожну мишку розміщували у всіх трьох по 10 хвилин на сеанс. Розміщення в першому та другому ящиках було розділене тижнем, тоді як у другому та третьому ящиках - лише п'ять годин. Крім того, миша отримала удар у третій коробці.

Через два дні кожну мишку повертали у всі три коробки. Не дивно, що миші завмерли від страху, впізнавши характеристики третього ящика. Однак інтригуючим було те, що миша також завмерла, розмістившись у другій коробці, незважаючи на те, що раніше в цій коробці не було шоку. Це свідчило про те, що пам’ять про шок була перенесена з третьої скриньки на досвід у другій коробці, що відбувся за п’ять годин до цього.

Потім подібний експеримент був проведений з мишами середнього віку, використовуючи дві коробки з інтервалом у п’ять годин, і в результаті чого у другій коробці стався шок. Було встановлено, що ці старші миші заморозили лише у другій коробці, де були шоковані, а не в першій. У зв'язку з цим Мініскоп виявив, що дві пам'яті не пов'язані між собою, а натомість мають окремо закодовані нейронні схеми. Більш вражаюче це вказувало на те, що старіння послаблювало здатність нейронів збуджуватися та кодувати пам’ять.

Мабуть, найбільш захоплюючою знахідкою цього дослідження було те, що ці втрачені зв’язки насправді можна було врятувати. У наступному наборі експериментів вчені вперше збудили нейрони в області гіпокампу до того, як розмістити мишей у першій коробці. Потім мишей вводили в перший і другий бокс, де через два дні вводили удар ноги. Після повторного введення в перший ящик миші завмерли, пов’язавши шок у другому ящику з першим, маючи на увазі, що посилена збудливість нейронів врятувала вікове погіршення зв’язку пам’яті.

Особливо доречно зауважити, що спогади не виникають поодиноко в реальному житті, враховуючи, що минулий досвід впливає на те, як формуються нові спогади та впливають на наші процеси прийняття рішень у майбутньому. Сподіваємось, дослідження в цій галузі одного дня допоможуть людям із віковим когнітивним занепадом з точки зору поліпшення їхніх здібностей до зв’язку та збереження спогадів.

Список літератури

Cai, D. J., Aharoni, D., Shuman, T., Shobe, J., Biane, J., Song, W., ... Silva, A. J. (2016). Спільний нейронний ансамбль пов'язує різні контекстуальні спогади, закодовані близько в часі. Природа, 534(7605), 115–118. doi: 10.1038 / nature17955

Feng, T., Silva, D., & Foster, D. J. (2015). Дисоціація між досвідом залежним розвитком послідовностей гіпокампальної тети та прецесією фази одного випробування. Журнал неврології, 35(12), 4890–4902. doi: 10.1523 / jneurosci.2614-14.2015

Міддлтон, С. J., & McHugh, T. J. (2016). Мовчання CA3 порушує тимчасове кодування в ансамблі CA1. Нейрологія природи. doi: 10.1038 / nn.4311

Мозер, Е. І., Руді, Ю., Віттер, М. П., Кентрос, К., Бонхоффер, Т., та Мозер, М.-Б. (2014). Клітини сітки та кортикальне зображення. Nature Reviews Neuroscience, 15(7), 466–481. doi: 10.1038 / nrn3766

Ця гостьова стаття спочатку з’явилася у нагородженому блозі охорони здоров’я та науки та спільноті, присвяченій мозку, BrainBlogger: Як мозок організовує спогади протягом часу?