В спящем мозге некоторые нейроны воспроизводят прошлое и репетируют будущее

Фото из открытых источников
Это открытие является одним из серии открытий, полученных в результате исследования сна и обучения, опубликованного в журнале Nature группой исследователей из Университета Райса и Мичиганского университета. Исследование предлагает беспрецедентную картину того, как отдельные нейроны в гиппокампе крыс стабилизируют и настраивают пространственные представления в периоды отдыха после того, как животные впервые прошли лабиринт.
 
«Определенные нейроны срабатывают в ответ на определенные стимулы», — сказал автор исследования Камран Диба. «Нейроны зрительной коры срабатывают при предъявлении соответствующего зрительного стимула. Нейроны, которые мы изучаем, демонстрируют предпочтения места».
 
Вместе с сотрудниками Мичиганской лаборатории нейронных цепей и памяти под руководством Дибы нейробиолог из Райса Калеб Кемере изучал процесс, с помощью которого эти специализированные нейроны создают представление о мире после нового опыта. В частности, исследователи отслеживали резкие волновые колебания — образец активации нейронов, который, как известно, играет роль в консолидации новых воспоминаний, а совсем недавно также показал, что он определяет, какие части нового опыта следует сохранить в качестве воспоминаний.
 
«Впервые в этой статье мы наблюдали, как эти отдельные нейроны стабилизируют пространственные представления во время периодов покоя», — сказал Кемере.
 
Сон имеет решающее значение для памяти и обучения — наука количественно оценила эту давнюю интуицию, измеряя производительность в тестах на память после сна, а не после периода бодрствования или даже лишения сна.
 
Пару десятилетий назад учёные также обнаружили, что нейроны в мозгу спящих животных, которым разрешили исследовать новую обстановку непосредственно перед отдыхом, активировались таким образом, что воспроизводили траектории животных во время исследования. Это открытие согласуется с тем, что сон помогает новому опыту кристаллизоваться в устойчивые воспоминания, что позволяет предположить, что пространственные представления многих из этих специализированных нейронов в гиппокампе стабильны во время сна. Однако исследователи хотели узнать, есть ли в этой истории что-то еще.
 
«Мы предположили, что некоторые нейроны могут изменить свои представления – отражая опыт, который мы все получили, когда проснулись с новым пониманием проблемы», – сказал Кемере. «Однако для того, чтобы показать это, нам необходимо проследить, как отдельные нейроны достигают пространственной настройки, то есть процесс, посредством которого мозг учится ориентироваться по новому маршруту или в новой среде».
 
Исследователи обучали крыс бегать взад и вперед по приподнятой дорожке с жидким вознаграждением на обоих концах и наблюдали, как при этом «подскакивают» отдельные нейроны в гиппокампе животных. Рассчитав среднюю скорость импульсов за множество кругов вперед и назад, исследователи смогли оценить поле места нейронов — или область в окружающей среде, о которой данный нейрон «заботится» больше всего.
 
«Критическим моментом здесь является то, что поля места оцениваются на основе поведения животного», — сказал Кемере, подчеркивая сложность оценки того, что происходит с полями места в периоды отдыха, когда животное физически не движется по лабиринту.
 
«Я долго думал о том, как мы можем оценить предпочтения нейронов вне лабиринта, например, во время сна», — сказал Диба. «Мы решили эту проблему, связав активность каждого отдельного нейрона с активностью всех остальных нейронов».
 
Это было ключевым нововведением исследования: исследователи разработали статистический подход к машинному обучению, который использовал другие обследованные нейроны для определения приблизительного места, где животное мечтало оказаться. Затем они использовали эти позиции во сне, чтобы оценить процесс пространственной настройки для каждого нейрона в своих наборах данных.
 
«Способность отслеживать предпочтения нейронов даже без стимула стала для нас важным прорывом», — сказал Диба.
 
Метод подтвердил, что пространственные представления, которые формируются во время пребывания в новой среде, для большинства нейронов стабильны в течение нескольких часов сна после опыта. Но, как и ожидали исследователи, в этой истории было нечто большее.
 
«Что мне больше всего понравилось в этом исследовании и причина, по которой я был так взволнован, так это то, что во время сна не обязательно единственное, что делают эти нейроны, — это стабилизирует память об этом опыте», — сказал Кемере. «Оказывается, некоторые нейроны в конечном итоге делают что-то другое. Мы можем видеть эти другие изменения, происходящие во время сна, и когда мы возвращаем животных в окружающую среду во второй раз, мы можем подтвердить, что эти изменения действительно отражают то, чему они научились, пока животные спали. Это как если бы второй выход в космос на самом деле произошел, пока животное спит».
 
Это важно, поскольку представляет собой прямое наблюдение нейропластичности, происходящей во время сна. Кемере подчеркнул, что почти все исследования пластичности (которые изучают механизмы, позволяющие нейронам перестраиваться и формировать новые представления) смотрят на то, что происходит в периоды бодрствования, когда предъявляются стимулы, а не во время сна, когда соответствующие стимулы отсутствуют.
 
«Похоже, что пластичность или перестройка мозга требуют очень быстрых временных рамок», — сказал Диба, указывая на удивительную взаимосвязь между продолжительностью реального опыта, «который может занимать секунды, минуты, но также часы или дни» и настоящие воспоминания, «которые очень сжаты».
 
«Если вы что-то помните, то воспоминания – это мгновенно», – сказал Диба, ссылаясь на известный литературный отрывок французского писателя-модерниста Марселя Пруста, в котором детские воспоминания едва ли в мгновение ока распутывают целый потерянный мир прошлого опыта.
 
Исследование является примером достижений в нейробиологии, ставших возможными за последние несколько десятилетий благодаря технологическому прогрессу в разработке стабильных нейронных зондов с высоким разрешением, а также вычислительной мощности, поддерживаемой машинным обучением.
 
В свете этих достижений Кемере заявил, что наука о мозге готова добиться значительного прогресса в будущем, но в то же время выразил обеспокоенность по поводу влияния недавнего сокращения бюджета на продолжение исследований.
 
«Вполне возможно, что если бы мы начали эту работу сегодня, мы бы не смогли провести эти эксперименты и получить такие результаты», — сказал Кемере. «Мы определенно благодарны, что появилась такая возможность».