Как мозг связывает события, чтобы сформировать память? Исследование выявляет неожиданные психические процессы

Женщина, идущая по улице, слышит взрыв. Несколько мгновений спустя она обнаруживает, что ее парень, который шел впереди нее, был застрелен. Через месяц женщина регистрируется в отделении неотложной помощи. По ее словам, шумы от мусоровозов вызывают приступы паники. Ее мозг сформировал глубокую, длительную связь между громкими звуками и разрушительным зрелищем, свидетелем которого она была.

Эта история, переданная клиническим психиатром и соавтором нового исследования Мохсином Ахмедом, доктором медицинских наук, является ярким примером мощной способности мозга запоминать и связывать события, разделенные во времени. И теперь, в этом новом исследовании на мышах, опубликованном сегодня в Neuron , ученые из Колумбийского института Цукермана пролили свет на то, как мозг может образовывать такие устойчивые связи.

Ученые обнаружили удивительный механизм, с помощью которого гиппокамп, область мозга, критическая для памяти, создает мосты во времени: запуская всплески активности, которые кажутся случайными, но на самом деле образуют сложный паттерн, который со временем помогает мозгу учиться ассоциации. Раскрывая основную схему, лежащую в основе ассоциативного обучения, полученные данные закладывают основу для лучшего понимания тревожных и связанных с травмой и стрессом расстройств, таких как панические и посттравматические стрессовые расстройства, при которых кажущееся нейтральным событие может вызвать отрицательный ответ.

«Мы знаем, что гиппокамп важен в формах обучения, которые включают в себя связывание двух событий, которые происходят даже с интервалом в 10-30 секунд», — говорит доктор медицинских наук Аттила Лосончи, главный исследователь Колумбийского института Мортимера Б. Цукермана по поведению мозга. и соавтор статьи. «Эта способность является ключом к выживанию, но механизмы, стоящие за ней, оказались неуловимыми. С сегодняшним исследованием на мышах мы наметили сложные вычисления, которые мозг выполняет, чтобы связать различные события, которые разделены во времени».

Гиппокамп — небольшая область в форме морского конька, закопанная глубоко в мозге, — важный центр обучения и памяти. Предыдущие эксперименты на мышах показали, что разрушение гиппокампа оставляет животных с трудностями в обучении связывать два события, разделенных десятками секунд.

«Преобладающим мнением было то, что клетки в гиппокампе поддерживают постоянную активность, чтобы связывать такие события», — сказал доктор Ахмед, доцент кафедры клинической психиатрии в Колумбийском колледже врачей и хирургов Vagelos и соавтор статьи сегодняшнее исследование. «Отключение этих клеток, таким образом, нарушило бы обучение».

Чтобы проверить это традиционное представление, исследователи изобразили части гиппокампа мышей, когда животные подвергались воздействию двух разных раздражителей: нейтрального звука, сопровождаемого небольшим, но неприятным дуновением воздуха. Пятнадцатисекундная задержка разделяла два события. Ученые повторили этот эксперимент в нескольких испытаниях. Со временем мыши научились ассоциировать тон с последующим воздушным потоком. Используя продвинутую двухфотонную микроскопию и функциональную кальциевую визуализацию, они регистрировали активность тысяч нейронов, типа клеток мозга, в гиппокампе животных одновременно в течение каждого исследования в течение многих дней.

«При таком подходе мы могли бы подражать, хотя и проще, процессу, которому подвергается наш мозг, когда мы учимся соединять два события», — сказал доктор Лосончи, который также является профессором нейробиологии в Колумбийском колледже врачей и хирургов Vagelos.

Чтобы понять смысл собранной ими информации, исследователи объединились с вычислительными нейробиологами, которые разрабатывают мощные математические инструменты для анализа огромного количества экспериментальных данных.

«Мы ожидали увидеть повторяющуюся непрерывную нейронную активность, которая сохранялась в течение пятнадцати секунд разрыва, что указывает на гиппокамп на работе, связывающий слуховой тон и дыхание воздуха», — говорит доктор вычислительных нейробиологов Стефано Фузи, доктор философии, главный исследователь в Цукермане из Колумбии. Институт и соавтор газеты. «Но когда мы начали анализировать данные, мы не увидели такой активности».

Вместо этого нейронная активность, зарегистрированная в течение пятнадцатого интервала времени, была редкой. Только небольшое количество нейронов сработало, и они сделали это, по-видимому, наугад. Эта спорадическая деятельность выглядела отчетливо отличной от непрерывной активности, которую мозг демонстрирует во время других задач обучения и памяти, таких как запоминание номера телефона.

«Похоже, что в течение всей задачи это задание происходит с перерывами и случайными периодами времени», — сказал Джеймс Пристли, докторский кандидат, которого сопутствовал доктор. Losonczy и Fusi в Колумбийском институте Цукермана и соавтор статьи. «Чтобы понять деятельность, нам пришлось изменить способ анализа данных и использовать инструменты, разработанные для понимания случайных процессов».

В конечном счете, исследователи обнаружили закономерность случайности: стиль интеллектуальных вычислений, который, по-видимому, является удивительно эффективным способом хранения информации в нейронах. Вместо того, чтобы постоянно общаться друг с другом, нейроны экономят энергию — возможно, путем кодирования информации в соединениях между клетками, называемых синапсами, а не посредством электрической активности клеток.

«Мы были рады видеть, что мозг не поддерживает постоянную активность в течение всех этих секунд, потому что с точки зрения обмена веществ это не самый эффективный способ хранения информации», — сказал доктор Фуси, который также является профессором неврологии в Колумбийском колледже Вагелоса. врачей и хирургов. «Мозг, кажется, имеет более эффективный способ построить этот мост, который, как мы подозреваем, может включать изменение силы синапсов».

Помимо того, что они помогают составить карту схем, участвующих в ассоциативном обучении, эти результаты также служат отправной точкой для более глубокого изучения расстройств, связанных с дисфункциями в ассоциативной памяти, таких как паника и посттравматическое стрессовое расстройство.

«В то время как наше исследование не моделирует явно клинические синдромы любого из этих расстройств, оно может быть чрезвычайно информативным», — сказал доктор Ахмед, который также является членом лаборатории Losonczy в Колумбийском институте Цукермана. «Например, это может помочь нам смоделировать некоторые аспекты того, что может происходить в мозге, когда пациенты испытывают страшную связь между двумя событиями, которые, для кого-то другого, не вызывают испуга или паники».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Институтом Цукермана при Колумбийском университете . Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Видео на YouTube: как события Brain Link формируют память

---

Ссылка на журнал :

1. Мохсин С. Ахмед, Джеймс Б. Пристли, Анхель Кастро, Фабио Стефанини, Элизабет М. Балу, Эрин Лавуа, Лука Маццукато, Стефано Фуси, Аттила Лосончи. Перестройка сети гиппокампа лежит в основе формирования временной ассоциации памяти . Нейрон , 2020 [ ссылка ]