На улице вы видите женщину, которая кажется знакомой, но вы не можете вспомнить откуда вы её знаете. Ваш мозг не в состоянии сопоставить эту личность с предыдущим опытом. Спустя несколько часов вы неожиданно вспоминаете вечеринку у приятеля дома, где вы с ней встречались, и вы осознаёте кто она такая.
В новом исследовании на мышах исследователи обнаружили область мозга, которая отвечает за оба типа отношений — смутное узнавание и полное восстановление памяти. Более того, они оба представлены двумя различными нейронными кодами. Результаты исследований, которые появились в журнале Neuron 20 февраля, «демонстрируют использование продвинутых компьютерных алгоритмов для понимания, каким образом мозг кодирует такие понятия как социальное новшество и идентификация индивидов», — говорит соавтор исследования Стивен Зигельбаум, невролог Института разума, мозга и сознания Мортимера Б. Цукермана при Колумбийского университета.
«Метка мозга для незнакомцев оказалась проще той, которая используется для старых друзей, что логично», — говорит Зигельбаум, учитывая огромную разницу в требованиях к памяти этих двух отношений. «Где вы были, что вы делали, когда вы это делали, кто ещё [там был] — память о знакомом индивиде — эта память намного богаче, — говорит Зигельбаум. — Если вы встречаете незнакомца — тут нечего вспоминать».
Действие происходит в небольшом кусочке области мозга под названием гиппокамп, известном своей важностью в формировании воспоминаний. Рассматриваемый кусочек, известный как СА2, похоже специализируется на определённом типе памяти, используемой для воспоминания отношений. «[Новая работа] делает акцент на важности этой области мозга для обработки социальной информации, как минимум у мышей», — говорит Серена Дудек, невролог из Национального института изучения санитарного состояния окружающей среды, которая не участвовала в исследовании.
Студент из лаборатории Зигельбаума помог установить эту роль около десятилетия назад, когда он разработал генетический метод выключения СА2 у мышей. С выведенным из строя СА2 мыши больше не могли отличать незнакомую мышь от представителя своего помёта. Дефицит памяти ограничивался социальным контекстом, в противоположность, скажем, памяти об объектах и местоположениях, которая не имела социального значения: мыши всё ещё могли узнавать знакомые предметы, например проходить через лабиринт. «Сюрприз состоял в том, что этот конкретный подрегион был настолько критически важен для мышей в отношении социальной памяти», — говорит Зигельбаум.
Но всё ещё не было яно, каким образом клетки в этой области выполняли эту функцию. «Вопрос был следующий: что происходит в мозгу этих мышей в области СА2?», — говорит Зигельбаум. Чтобы ответить на этот вопрос, команде Зигельбаума пришлось придумать способ записывать нейронную деятельность в СА2 во время социального взаимодействия и проанализировать эту деятельность.
В 2018 году студент магистратуры Лара Бойл начала решать проблему записи происходящего в СА2 используя минископ — тип микроскопа, достаточно маленький для того, чтобы мыши могли носить его на голове как шапку. Бойл, соавтор новой статьи, наполнила нейроны СА2 белком, который светится в присутствии кальция, вещества, которое мчится к нейронам когда клетки активированы. Она поместила микроскоп так, чтобы он обнаруживал свечение, измерял его плотность и преобразовал результаты измерений в электрические сигналы, которые потом были обработаны компьютером.
Аппарат зафиксировал активность от 50 до 60 нейронов в то время, когда мышь взаимодействовала либо с двумя незнакомыми мышами, либо с двумя мышами одного с ней помёта, либо с родной и незнакомой мышью. Мыши каждой из этих пар содержались врозь в небольших «чашах» из проволоки по левую и правую стороны клетки. Сравнение активности мозга в ходе этих взаимодействий, надеялись исследователи, покажет каким образом мыши распознают других мышей в качестве незнакомцев или родственников или различают их как индивидуумов. Однако, когда это произошло, сначала учёные не могли разобраться в сигналах, чтобы определить как мозг фомирует их.
Итак, в 2020 году Бойл и Зигельбаум начали совместную работу с неврологом из института Цукермана Стефано Фьюзи и постдоком Лоренцо Позани, построившим «линейный декодер», программу, которая способна расшифровывать груду нейронных схем. Как сказано в статье, декодер обрабатывал ответы отдельных мышей с целью разузнать, каким образом мозг шифрует социальное знакомство и идентификацию. Мышиный мозг использует «очень особенный код» чтобы составить представление о других мышах, говорит Фьюзи.
С помощю декодера была открыта нейронная метка для таких понятий, как новизна и знакомство, которые работали у различных пар как впервые встретившихся, так и знакомых мышей. «Пресловутый свет блеснёт в той части мозга, которая говорит "новизна" или "знакомство", независимо от личности этих мышей, — говорит Зигельбаум. — Вероятно, это стало одним из ага!-моментов исследования».
Более того, чем лучше мышиные СА2-нейроны различали новых и знакомых животных, тем лучше мыши разбирались в содержавшихся в чашах мышах. Так как мыши любят новое, они предпочитают проводить больше времени с незнакомцами, чем с сородичами по помёту. Таким образом, животные, мозг которых обладал самыми чувствительными детекторами новизны, идентифицированными линейным декодером, проводили больше времени обнюхивая новых мышей по сравнению со знакомыми.
Исследователи также обнаружили нервные схемы, позволявшие мышам различать двух знакомых животных от двух незнакомцев. «Можно раскодировать с некоторой вероятностью уровнем выше случайности не только то, что мышь воспринимает новое животное или знакомое животное, но также идентифицировать это животное», — говорит Дудек.
«И то, каким образом мозг устанавливает идентичность, отлично в отношении к незнакомцам по сравнению со знакомыми животными, — говорит Зигельбаум. — Например, исследователи определили, что нейронный код социальной идентификации зависит от расположения мышей в чашах в большей степени, когда эти мыши являются знакомыми, что согласуется с идеей о том, что память о знакомых индивидуумов расположена, среди прочих подробностей, в определённом месте. Напротив, такие детали не присваиваются незнакомцам, поэтому код проще, говорит он».
«Принципы, руководящие этими только что обнаруженными мозговыми метками, могут помогать в разработке более совершенных систем машинного обучения», — говорит Фьюзи. На данные момент компьютеры должны обучаться новой информации очень специфическим образом, иначе они страдают от «катастрофической забывчивости» ранее полученных знаний. «Если вам не хочется, чтобы система машинного обучения постоянно обучалась в течение всей жизни, у нас такого способа нет, — говорит Фьюзи. — Машины не обучаются в естественных условиях, как это делаем мы. Новое понимание того, каким образом мозг животного кодирует социальную информацию, может привести к решению проблемы катастрофической забывчивости».
«Результаты исследования также являются небольшим шагом в сторону полного понимания социальной памяти, — утверждает Томас МакХью, невролог из Центра науки о мозге RIKEN в Японии, который не участвовал в исследовании. — В действительности мы хотели бы понять в смысле области знаний то, каким образом формируется память, которая объединяет все эти компоненты — с кем мы взаимодействуем, где мы находимся, что мы делаем — содержимое события или эпизода. Это исследование даёт нам некоторые мысли о том как мы могли бы это сделать».
«Вероятнее всего, СА2 участвует в этом процессе не в одиночку, поскольку она соединена с другими областями мозга, которые также играют роль в социальном обучении, памяти и поведении», — говорит Дудек. Но если полученные на мышах данные применимы к людям, работа может помочь исследователям найти корни социальных трудностей у людей, подобно тем, которые происходят при шизофрении или аутизме. Например, учёные смогли бы найти изменения в нейронном коде СА2-нейронов в генетической модели мышей с такими состояниями. «Важно иметь такие исходные данные, чтобы понять что в этих моделях изменяется как шаг к пониманию того, что происходит у человека», — говорит МакХью.
«Начав здесь, исследователи могли бы найти способ нормализовать эти схемы, чтобы улучшить социальную память», — говорит Зигельбаум. «Сколько существует различных нарушений? — добавляет он. — Все ли они включают один и тот же тип изменений в нейронной обработке информации, или существуют более специфические изменения, которые связаны с различными формами заболевания? Обладая усовершенствованным методом классификации этих изменений, можно прийти к более прицельному лечению», — говорит Зигельбаум.
Автор — Ингрид Викельгрен (Ingrid Wickelgren) — независимый научный журналист из Нью-Джерси.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источник.
Вам также может быть интересно:
