Опубликованное в журнале Science исследование посвящено рабочей памяти – временной активации нейронов гиппокампа, которая происходит, например, когда мы совершаем поездку по новому району или вспоминаем, как мы проводили время в определенный день. Результаты исследования вращаются вокруг нервных клеток, которые своей активностью координируют воспоминания.
Зоны стимуляции светом в гиппокампе. На графиках показано, что при активации светом ответ зон гиппокампа (stratum radiatum и CA1) достоверно увеличивался во времени. Credit: György Buzsáki et al. / Science 2019
В последние годы исследователи обнаружили, что комплексы нейронов срабатывают в миллисекундном интервале друг от друга в ритмических циклах, создавая тесно связанные последовательности сигналов, которые могут кодировать сложную информацию. Наблюдаемый при этом паттерн – когда клетки гиппокампа в разных частях цепи кратковременно синхронно «зажигаются» – создает «остроконечную волновую рябь». Название дано, исходя из формы, которую подобные паттерны имеют на энцефалограмме.
Считается, что так называемые остроконечные пульсирующие волны гиппокампа на ЭЭГ отражают активацию механизма консолидации памяти (запоминания информации) и планирования действий. Команда исследователей из медицинской школы Нью-Йоркского университета обнаружила, что длительность подобной мозговой активности увеличивается на десятки миллисекунд, когда животные находятся в незнакомой обстановке. Искусственное же поддерживание (пролонгация) таких паттернов в эксперименте позволило увеличить эффективность обучения.
В своем эксперименте ученые запускали крыс в лабиринт, на выходе из которого им давалось подкрепление. Правильный путь получения сладкой воды чередовался попеременно между левым и правым плечами лабиринта. Чтобы получить свою награду, крысы должны были использовать рабочую память, вспоминая, каким путем они прошли в предыдущем испытании, и выбирая противоположный путь в следующий раз.
Схема лабиринта. Credit: György Buzsáki et al. / Science 2019
Исследования, проведенные в последние годы во многих лабораториях, установили, что нейроны гиппокампа кодируют каждую комнату или каждый рукав лабиринта при входе, а затем снова активируются, когда крысы или люди вспоминают пройденный маршрут. Более того, мозг способенпри этом запоминать и положение в пространстве подобных себе организмов, а система внутреннего GPS не отключается даже во время сна.
Авторы нынешнего исследования зафиксировали активацию определенных клеток места, когда крыса выполняла задачу в лабиринте, и с помощью онтогенетического метода смогли увеличить продолжительность периодов их активности.
Когда длина сигналов, связанных с воспоминанием о лучшем маршруте через лабиринт, была искусственно удвоена, крысы с расширенной активностью гиппокампа на 10-15 процентов быстрее обучались находить сладкое вознаграждение, по сравнению с контрольной группой животных.
Важно отметить, что при искусственной пролонгации остроконечных пульсирующих волн гиппокампа в слое CA1 не происходит повторной активации уже задействованных нервных клеток – вместо этого активируется популяция более медленных нейронов. Предыдущие исследования авторов показали, что эти «медленные» нейроны оказываются более пластичны при изучении чего-то нового. Напротив, более «быстрые» клетки имели тенденцию запускаться независимо от того, по какому пути пошла крыса. Исследователи пришли к выводу, что такие «жесткие» нейроны обобщают опыт, кодируя знакомые аспекты каждого местоположения.
«В своем исследовании нам впервые удалось произвести искусственные изменения в паттернах активности нейронов гиппокампа, которые увеличили способность к обучению, а не мешали ему, как в предыдущих попытках», — отмечает доктор Бузаки (György Buzsáki), профессор кафедры нейробиологии и физиологии медицинского школы Нью-Йоркского университета.
Следующий шаг ученых будет заключаться в том, чтобы понять, как можно пролонгировать резкие волновые колебания неинвазивными методами. В случае успеха это будет иметь большое значение для лечения расстройств памяти.
Текст: Диана Галимова
Long-duration hippocampal sharp wave ripples improve memory by Antonio Fernández-Ruiz, Azahara Oliva Eliezyer Fermino de Oliveira, Florbela Rocha-Almeida, David Tingley, György Buzsáki in Science. June 2019