Нейронні ритми Вплив пам'яті

Провокаційні нові дослідження показують, що мозок має оптимальний ритм або частоту, яка впливає на те, як ми запам’ятовуємо речі.

Мозок вчиться через зміни сили своїх синапсів - зв’язків між нейронами - у відповідь на подразники. Зараз, під час відкриття, яке кидає виклик загальноприйнятій мудрості щодо мозкових механізмів навчання, нейрофізики UCLA виявили, що існує оптимальний мозковий "ритм", або частота, для зміни синаптичної сили.

І, як станції на радіо-циферблаті, кожен синапс налаштовується на іншу оптимальну частоту для навчання.

Дослідники вважають, що отримані результати можуть призвести до єдиної теорії механізмів, що лежать в основі навчання в мозку, - відкриття, яке могло б призвести до нових методів лікування інвалідності у навчанні.

Дослідження виходить у поточному номері журналу Межі в обчислювальній неврології.

"У багатьох людей є порушення навчання і пам'яті, і, крім цієї групи, більшість з нас не є Ейнштейном чи Моцартом", - сказав доктор філософії Маянк Р. Мехта, старший автор статті. "Наша робота свідчить про те, що деякі проблеми з навчанням і пам'яттю спричинені тим, що синапси не налаштовані на потрібну частоту".

Зміна сили синапсу у відповідь на подразники - відоме як синаптична пластичність - індукується через так звані «колосові поїзди», серію нейронних сигналів, що надходять з різною частотою та часом.

Попередні експерименти використовували сотні послідовних спайків у дуже високочастотному діапазоні, щоб викликати пластичність. Однак це не той випадок, коли мозок активується під час поведінкових завдань у реальному житті, оскільки нейрони вистрілюють лише близько 10 спалахів поспіль, а не кілька сотень. І вони роблять це на набагато нижчій частоті - як правило, в діапазоні 50 сплесків на секунду.

До цього часу дослідники не могли проводити експерименти, які імітували більш природні рівні.

У новому дослідженні Мехта та співавтор, доктор філософії Арвінд Кумар, вперше змогли отримати ці вимірювання за допомогою складної математичної моделі, яку вони розробили та підтвердили експериментальними даними.

На відміну від того, що передбачалося раніше, Мехта та Кумар виявили, що коли мова заходить про стимуляцію синапсів за допомогою природних колосових зразків, стимулювання нейронів на найвищих частотах не був найкращим способом збільшення синаптичної сили.

"На наш подив, ми виявили, що поза оптимальною частотою синаптичне посилення насправді зменшувалось із підвищенням частоти".

Знання того, що синапс має переважну частоту для максимального навчання, змусило дослідників порівняти оптимальні частоти на основі розташування синапсу на нейроні.

Нейрони мають форму дерев, причому ядро ​​є основою дерева, дендрити нагадують обширні гілки, а синапси нагадують листя на цих гілках.

Коли Мехта та Кумар порівнювали синаптичне навчання на основі того, де синапси розташовувались на дендритних гілках, то, що вони виявили, було значущим: оптимальна частота стимулювання синаптичного навчання змінювалася залежно від того, де синапс знаходився. Чим далі синапс знаходився від тіла клітини нейрона, тим вища його оптимальна частота.

"Неймовірно, що стосується навчання, нейрон поводиться як гігантська антена, з різними гілками дендритів, налаштованими на різні частоти для максимального навчання", - сказав Мехта.

Дослідники виявили, що не тільки кожен синапс має бажану частоту для досягнення оптимального навчання, але для найкращого ефекту частота повинна бути ідеально ритмічною - з часом з точними інтервалами. Навіть при оптимальній частоті, якщо ритм був відкинутий, синаптичне навчання значно зменшилось.

Їхні дослідження також показали, що як тільки синапс дізнається, його оптимальна частота змінюється. Іншими словами, якби оптимальна частота для наивного синапсу - такого, який ще нічого не навчився - становила, скажімо, 30 піків в секунду, то після вивчення той самий синапс оптимально вчився б на нижчій частоті, скажімо, 24 піки в секунду . Таким чином, саме навчання змінює оптимальну частоту для синапсу.

Цей процес "розстроювання", спричинений навчанням, має важливі наслідки для лікування розладів, пов'язаних із забуванням, таких як посттравматичний стресовий розлад, зазначають дослідники.

Незважаючи на те, що потрібно набагато більше досліджень, висновки піднімають можливість того, що ліки можуть бути розроблені для “перенастроювання” мозкових ритмів людей з порушеннями навчання або пам’яті, або що багато хто з нас міг би стати Ейнштейном чи Моцартом, якби був забезпечений оптимальний мозковий ритм до кожного синапсу.

"Ми вже знаємо, що існують наркотики та електричні подразники, які можуть змінити мозкові ритми", - сказав Мехта. "Наші висновки свідчать про те, що ми можемо використовувати ці інструменти для забезпечення оптимального ритму мозку до цілеспрямованих зв’язків для покращення навчання".

Джерело: UCLA