Электрические пульсации в покоящемся мозге отмечают воспоминания для хранения, что подтверждает советы о важности отдыха. Дьёрдь Бузсаки впервые начал возиться с волнами, когда учился в средней школе.
В доме своего детства в Венгрии он собрал радиоприёмник, настроил его на различные электромагнитные частоты и использовал радиопередатчик, чтобы общаться с незнакомцами от Фарерских островов до Иордании. Некоторые из этих разговоров он помнит лучше, чем другие, так же как люди помнят только некоторые события из своего прошлого.
Теперь, будучи профессором нейронаук в Нью-Йоркском университете, Бузсаки перешёл от радиоволн к волнам мозга и задался вопросом: как мозг решает, что запомнить? Изучая электрические схемы
в мозге, Бузсаки стремится понять, как переживания представляются и сохраняются в виде воспоминаний.
Новые исследования, проведенные в лаборатории Бузсаки и в других, показали, что мозг отмечает впечатления, которые стоит запомнить, неоднократно посылая внезапные и мощные высокочастотные мозговые волны.
Известные как «резкие волновые пульсации», эти волны, возникающие в результате срабатывания многих тысяч нейронов в течение миллисекунд друг за другом, «подобно фейерверку в мозге», - говорит Ваннан Янг, докторант из лаборатории Бузсаки, возглавившая новую работу, которая была опубликована в журнале Science в марте 2024 года. Они срабатывают, когда мозг млекопитающих находится в состоянии покоя - во время перерыва между заданиями или во время сна.
Уже было известно, что резкие волновые пульсации участвуют в консолидации воспоминаний или их хранении. Новое исследование показывает, что они также участвуют в их отборе, что указывает на важность этих волн в процессе формирования долгосрочной памяти. Этот факт также даёт неврологическое обоснование того, почему отдых и
сон важны для сохранения информации.
Мозг в состоянии покоя и бодрствования, похоже, запускает разные программы: «если вы постоянно спите, у вас не будут формироваться воспоминания. Если вы постоянно бодрствуете, они тоже не будут формироваться. Если вы будете выполнять только один алгоритм, вы никогда ничему не научитесь», - говорит Бузсаки. «У вас должны быть перерывы».
Репетиция мозга
Бузсаки никогда не забудет, как впервые выявил резкую волновую рябь. Это был 1981 год, и он был постдоком в Университете Западного Онтарио, слушая через громкоговоритель мозговую активность грызунов. За девять лет исследований он привык к ритмичным, мелодичным колебаниям, которые издавали бодрствующие животные, исследуя окружающую среду. Он не был готов к внезапному «бонгу», который раздавался из динамика, когда грызуны спали.
Что происходит? Мозг грызунов в бодрствующем состоянии генерировал электрическую активность, которая колебалась с постоянной скоростью. Однако когда они находились под наркозом, их мозг, казалось, нерегулярно выдавал гораздо более быстрые импульсы.
Быстрые волны наблюдали и другие исследователи Корнелиус Вандервольф описал нерегулярные волны в 1969 году, а лауреат Нобелевской премии нейробиолог Джон О'Киф ввёл термин «пульсация» для их описания в 1970-х годах. Но только когда Бузсаки увидел их воочию, он стал одержим.
В течение следующего десятилетия он проводил большую часть времени в лаборатории, пытаясь охарактеризовать эти электрические всплески. В конце 1980-х годов исследователи обнаружили, что можно заставить нейроны создавать более прочные взаимосвязи, связанные с обучением и памятью, искусственно стимулируя их к быстрым вспышкам. Для Бузсаки эти всплески были очень похожи на его волны. В 1989 году он впервые выдвинул гипотезу о том, что резкие волновые пульсации могут быть частью механизма формирования и закрепления воспоминаний в мозге.
Фото: wired.com
«У него была идея, что это не какая-то шумовая активность, а то, что имеет отношение к мозгу», - говорит Михаэль Зугаро, нейробиолог из Коллеж де Франс, который работал постдоком в лаборатории Бузсаки в 2002 году. «Это было предвкушение будущих открытий, потому что в то время было известно очень мало».
В 1990-х и начале 2000-х годов исследователи воспользовались преимуществами возросшей вычислительной мощности и новыми инструментами, позволяющими регистрировать электрическую активность более 100 нейронов одновременно, чтобы лучше охарактеризовать резкие волновые пульсации.
Бузсаки и другие учёные обнаружили, что эти пульсации, похоже, воспроизводят активность мозга животного, например, при беге по лабиринту, но при этом пульсации колеблются в 10-20 раз быстрее, чем исходные сигналы. По словам Хироаки Норимото, профессора нейронаук из Университета Нагои в Японии, одна из работ 2002 года, которая «сделала резкие волновые пульсации очень известными», показала, что эти пульсации реактивируют последовательность активности нейронов.
В 2009 и 2010 годах две работы, в том числе одна под руководством Зугаро, показали, что резкие волновые пульсации участвуют в закреплении воспоминаний, которые сохраняются в течение длительного времени. Когда исследователи подавляли или нарушали эти пульсации, крысы хуже справлялись с заданиями на запоминание. Более поздние исследования показали, что удлинение или создание большего количества пульсаций улучшает память крыс.
Стало ясно, что пульсации воспроизводятся многократно, чтобы закрепить память. «Мозг репетирует», - говорит Лила Давачи, профессор психологии Колумбийского университета. «Даже в моменты бодрствования ваш мозг продолжает репетировать и воспроизводить прошлое».
Представьте, что пережитое - это «мелодия на фортепиано», - говорит Дэниел Бендор, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона. Для записи переживаний срабатывает определённая последовательность нейронов, подобно тому как пианист отбивает определённую последовательность клавиш.
Затем, во время сна, гиппокамп повторяет эту последовательность - но быстрее и потенциально сотни или тысячи раз. Бешеные резкие волновые пульсации распространяются от гиппокампа, являющегося перевалочной базой мозга для «эпизодических воспоминаний» о конкретном опыте, к коре головного мозга, которая участвует в хранении долгосрочной памяти.
Однако никто не смог объяснить, почему пульсации распространяются, когда животное бодрствует и отдыхает. «Они должны служить какой-то другой цели», - вспоминает Бендор. У учёных было много идей. Одни предполагали, что пульсации во время бодрствования помогают планировать или принимать решения. Другие предполагали, что они каким-то образом изменяют или перераспределяют воспоминания.
Ещё одна идея, предложенная несколькими группами, заключалась в том, что воспроизведение во время бодрствования и воспроизведение во время сна тесно связаны между собой и могут быть механизмом, с помощью которого мозг выбирает, какой опыт запомнить.
Испытания памяти
В Нью-Йоркском университете в комнате с инфракрасным освещением стояли коробки с отдыхающими и спящими мышами. В соседней комнате находились лабиринты, сделанные вручную из пластика и скотча. По очереди мышей помещали в лабиринты. Они бегали по нему, надев электроды, которые регистрировали активность около 500 нейронов гиппокампа, и узнавали, что за прохождение определённых маршрутов они получат в награду воду.
Фото: wired.com
Исследуя лабиринт, мыши делали небольшие перерывы, чтобы отдохнуть или привести себя в порядок. А после окончания испытаний их возвращали в домашнюю клетку, чтобы они могли вздремнуть. Исследователи продолжали записывать их мозговую активность, пока они спали.
Янг проанализировала полученные данные, определив, какие нейроны срабатывали во время различных испытаний. Она увидела множество вариаций: одни нейроны срабатывали во время ранних испытаний, другие - во время более поздних. Иногда они срабатывали с разной скоростью. Это говорит о том, что мозг по-разному фиксирует переживания животного во время отдельных испытаний. Примечательно, что за одними испытаниями следовали всплески резких волновых пульсаций, а за другими - нет.
Затем она сравнила активность мозга, зафиксированную во время прохождения мышами лабиринта, с соответствующими пульсациями, которые появлялись позже. Испытания, которые повторялись чаще, когда мыши отдыхали, были теми же испытаниями, которые повторялись, когда они спали. А те испытания, которые не воспроизводились, когда мыши бодрствовали, не воспроизводились и во время сна.
Команда исследователей пришла к выводу, что пульсации в состоянии покоя могут быть механизмом, с помощью которого мозг определяет приоритетность опыта для запоминания.
«Возможно, пульсации во время бодрствования - это те метки памяти, которые консолидируют определённые впечатления для долгосрочного хранения», - говорит Янг. «Напротив, те, что не отмечены, не воспроизводятся во время сна и забываются».
В декабре 2023 года исследовательская группа под руководством Бендора из Университетского колледжа Лондона опубликовала в журнале Nature Communications результаты, которые предвосхитили выводы Янг и Бузсаки. Они тоже обнаружили, что резкие волновые пульсации, возникающие у мышей в бодрствующем и спящем состоянии, как бы маркируют опыт для запоминания. Однако в их анализе усреднялось количество различных опытов - такой подход был менее точным, чем у Янг и Бузсаки.
Ключевым нововведением команды Нью-Йоркского университета стало включение в анализ элемента времени, который отличает похожие воспоминания друг от друга. Мыши бегали по одним и тем же лабиринтам, но исследователи смогли различить блоки испытаний на уровне нейронов, чего раньше никогда не удавалось достичь.
Мозговые паттерны отмечают «нечто более близкое к событию и менее похожее на общее знание», - говорит Лорен Франк, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не принимал участия в исследовании.
«Они показывают, что мозг, возможно, создаёт некий временной код, чтобы различать разные воспоминания, возникающие в одном и том же месте», - говорит Фрейя Олафсдоттир, нейробиолог из Университета Радбоуда, не принимавшая участия в работе.
Шантану Джадхав, нейробиолог из Университета Брандейса, высоко оценил исследование. Однако он надеется увидеть продолжение эксперимента, включающее поведенческий тест. Демонстрация того, что животное забывает или помнит определённые пробные блоки, стала бы «реальным доказательством того, что это механизм меток».
Исследование оставляет без ответа животрепещущий вопрос: Почему один опыт выбирается вместо другого? Новая работа предполагает, как мозг отмечает определённый опыт для запоминания. Но она не может сказать, как мозг решает, что стоит запомнить.
Иногда то, что люди вспоминают, кажется случайным или неважным, и уж точно отличается от того, что онивыбрали бы, если бы им предоставили выбор. Есть ощущение, что мозг расставляет приоритеты, исходя из «определённой важности», - говорит Фрэнк. Поскольку исследования показывают, что эмоциональный или новый опыт запоминается лучше, возможно, что внутренние колебания возбуждения или уровня нейромодуляторов, таких как дофамин или адреналин, и других химических веществ, влияющих на нейроны, в конечном итоге выбирают опыт.
Джадхав поддержал эту мысль, сказав: «Внутреннее состояние организма может повлиять на то, что опыт будет закодирован и сохранён более эффективно». Но неизвестно, что делает один опыт более склонным к сохранению, чем другие. И в случае с исследованием Янг и Бузсаки неясно, почему мышь запоминает одно испытание лучше, чем другое.
Фото: wired.com
Бузсаки продолжает изучать роль резких волновых пульсаций в гиппокампе, хотя его команду также интересует потенциальное применение этих наблюдений. Например, возможно, что учёные смогут нарушить пульсации в рамках лечения таких заболеваний, как посттравматическое стрессовое расстройство, при котором люди слишком ярко помнят определённые переживания.
«Здесь можно получить нехитрый результат - стереть резкие волны и забыть о том, что вы пережили», - сказал он. Но пока что Бузсаки будет продолжать наблюдать за этими мощными мозговыми волнами, чтобы узнать больше о том, почему люди помнят то, что помнят.