При вспоминании нейроны возбудились в последовательности запоминания

Американские ученые установили, что при вспоминании материала нейроны в коре мозга человека возбуждаются в той же последовательности, что и при запоминании информации, а успешность ответа зависит от того, насколько эти паттерны совпадают. Точность извлечения памяти также связана с тем, синхронизируются ли всплески активности нейронов с возбуждением медиальной височной коры. Статья опубликована в журнале Science.

Вспоминание определенных событий связано с повторением последовательного возбуждения участков мозга, которые были активны во время исходного эпизода. В конце прошлого века ученые обнаружили, что у крыс, когда они отдыхают в домашней клетке или даже спят, проигрываются те же последовательности разряда нейронов медиальной височной доли мозга, что и во время исследования лабиринта, которое проводили заранее. Ученые предполагают, что повторение паттернов активации лежит в основе извлечения и консолидации памяти и, возможно, планирования действий.

Последовательное проигрывание нейронного возбуждения в медиальной височной доле у крыс связано с возникновением частых веретенообразных колебаний (осцилляций) на электроэнцефалограмме. Похожие ритмы возникают и при извлечении эпизодической памяти у людей. Однако до сих пор не существовало данных, которые бы убедительно доказывали, что и на уровне отдельных нейронов у человека при воспоминании проигрываются определенные последовательности. Все дело в том, что инвазивные исследования на людях разрешены только во время необходимых медицинских вмешательств, а неинвазивные методы не позволяют регистрировать активность отдельных нервных клеток.

Группа ученых под руководством Алекса Ваза (Alex Vaz) из Национального института неврологических расстройств и инсульта США провела исследование на пациентах с эпилепсией. Таким людям имплантируют электроды, чтобы найти источник судорожной активности в мозге. Информацию собирали от электродов, которые находились в передней теменной доле и регистрировали возбуждение отдельных нейронов и локальные потенциалы.

Кроме того, исследователи записывали электрокортикограмму — метод, схожий с электроэнцефалографией, с отличием в том, что электроды накладывают не на кожу, а непосредственно на кору мозга. Таким образом, ученые могли сравнивать нейронную активность как на уровне отдельной клетки, так и в большем масштабе, а также проследить за синхронизацией двух зон: медиальной височной коры и средней височной извилины.

Участников исследования просили запоминать пары не связанных между собой слов (например, «ворона» и «джип»). Затем им показывали одно из слов («ворона») и просили вспомнить и назвать второе («джип»). Электрическую деятельность мозга записывали как вовремя запоминания слов, так и при их воспроизведении. Чтобы выделить последовательности разряда нейронов внутри одного всплеска активности, ученые разделили их в соответствии с тем, когда частота их разряда достигала максимума. Затем сравнивали два всплеска между собой и смотрели, сохраняют ли клетки такой же временной паттерн активности.

Веретенообразные осцилляции, которые регистрировали в средней височной извилине, всегда совпадали с событиями на двух уровнях меньшего масштаба: схожими колебаниями локального потенциала и всплеском активности отдельных нейронов. Такие явления регулярно повторялись в процессе запоминания каждой пары слов. Внутри каждого всплеска формировалась определенная последовательность разряда индивидуальных клеток, и в одной попытке (попыткой обозначили изучение и повторение одной пары слов) паттерн практически не менялся. В разных же пробах одни и те же нейроны возбуждались в разном порядке.

Ученые сравнили удачные (когда при тестировании участники правильно называли второе слово) и неудачные попытки. В пробах, в которых добровольцы отвечали правильно, последовательности разряда нейронов между всплесками при обучении были более схожими, чем когда слово называли неправильно. Авторы работы предполагают, что повторение одинаковых паттернов активации клеток связано с успешным запоминанием.

Затем исследователи проанализировали всплески, которые возникали при извлечении памяти (то есть при тестировании). Последовательность разряда нейронов в них постепенно менялась и становилась все больше похожей на паттерн, который регистрировали в процессе запоминания. Когда «мелодия», которую проигрывали клетки, максимально синхронизировалась с предыдущей, участники называли ответ. В неудачных же попытках последовательность не увеличивала свое сходство с «правильной» во времени.

Каждому всплеску активности отдельных нейронов соответствовала осцилляция в средней височной извилине, но не каждый раз такое колебание возникало в медиальной височной коре. При синхронизации возбуждения в этих двух участках мозга «правильность» последовательности на уровне отдельных нейронов была гораздо выше, чем когда медиальная височная кора не активировалась. Это подтверждает предположения о роли этой зоны в извлечении памяти.

То, что височные доли коры больших полушарий участвуют в запоминании памяти, подтверждает, например, следующее исследование: ученые инвазивно стимулировали височные зоны людей для улучшения запоминания текстовой информации, и им удалось увеличить число правильных ответов на 15 процентов.

Алиса Бахарева