Исследователи UCLA Health обнаружили механизм, который формирует воспоминания, снижая интенсивность метаболических процессов, даже во время сна, — спонтанная устойчивая инактивность. Она возникает в той части мозга, которая имеет решающее значение для обучения и памяти и где и берет свое начало болезнь Альцгеймера. Результаты исследования опубликованыв журнале Nature Communications.
Скорее всего, вам знакомо то чувство, когда вы идете на кухню, но, придя туда, забываете, зачем шли. Это ваша рабочая память дает сбой. Рабочая память — это способность запоминать какую-то информацию на короткий промежуток времени, пока вы занимаетесь другими делами. Мы используем ее практически постоянно. У пациентов с болезнью Альцгеймера и деменцией наблюдается дефицит рабочей памяти, а также легкие когнитивные расстройства. Поэтому особенно важно понять механизмы, с помощью которых огромные сети нейронов в мозге обеспечивают работу памяти.
Во время выполнения задач на запоминание внешние слои мозга, известные как неокортекс, посылают сенсорную информацию в более глубокие области мозга, включая центральную область, называемую энторинальной корой, которая имеет решающее значение для формирования воспоминаний.
Нейроны в энторинальной коре демонстрируют сложный набор реакций, которые долгое время оставались загадкой для ученых, а их открытие было отмечено Нобелевской премией по медицине в 2014 году. Однако механизмы, управляющие этим процессом, не были изучены. В энторинальной коре развивается болезнь Альцгеймера.
«Поэтому очень важно понять, какие процессы происходят в кортико-энторинальной сети, когда неокортекс обращается к энторинальной коре, которая превращает его в рабочую память. Это могло бы обеспечить раннюю диагностику болезни Альцгеймера и связанной с ней деменции, а также легкого когнитивного расстройства», — говорит автор работы Майанк Мехта, нейрофизик, руководитель Центра нейрофизики имени В. М. Кека и Центра физики жизни Калифорнийского университета. Чтобы решить эту проблему, Мехта и его соавторы разработали новый подход — «математический микроскоп».
В физике, начиная с Кеплера и заканчивая Ньютоном и Эйнштейном, широко используются математические модели. С их помощью мы смогли увидеть удивительные вещи, например механизм работы субатомных частиц и изнанку черной дыры. Такие модели используются и в науках о мозге, но их результаты не воспринимаются так серьезно, как в физике. Причина в том, что в физике предсказания математических теорий проверяются количественно, а не только качественно.
В биологии принято считать, что такие количественно точные экспериментальные проверки математических теорий невыполнимы, поскольку мозг намного сложнее физического мира. Математические теории в физике очень просты, в них мало неизвестных, и, следовательно, их можно проверить экспериментально. Мозг же состоит из миллиардов нейронов и триллионов связей, что представляет из себя математический кошмар, не говоря уже о высокоточном микроскопе.
«Чтобы решить эту, казалось бы, невыполнимую задачу — разработать простую теорию, способную с высокой точностью объяснить экспериментальные данные о динамике памяти in vivo, мы предположили, что кортико-энторинальный обмен и работа памяти будут происходить даже тогда, когда испытуемые спят или находятся под наркозом», — говорит доктор Кришна Чоудхари, ведущий автор исследования.
Исследователи из Калифорнийского университета сделали еще одно важное предположение: динамика всей коры головного мозга и энторинальной коры во время сна или анестезии обусловлена всего двумя нейронами. Это свело проблему взаимодействия миллиардов нейронов только к двум переменным — силе входного сигнала от неокортекса к энторинальной коре и силе рекуррентных связей внутри энторинальной коры. Несмотря на то что это делает задачу математически решаемой, возникает очевидный вопрос — а так ли это?
«Если мы проверим нашу теорию количественно на данных в естественных условиях, то это будут просто интересные математические игры, а не прочное понимание механизмов формирования памяти», — говорит Мехта. Поэтому доктор Томас Хан, соавтор работы, профессор Базельского университета и клинический психолог, провел сложные эксперименты.
Хан и доктор Свен Берберих, также один из соавторов, измеряли мембранный потенциал идентифицированных нейронов из энторинальной коры in vivo, используя метод цельноклеточного патч-клампа, а затем использовали анатомические методы для идентификации нейрона. Одновременно они измерили активность теменной коры, части неокортекса, которая посылает входные сигналы в энторинальную кору.
«Математическая теория и сложные данные in vivo — это, конечно, здорово, но как перенести эту простую теорию на сложные нейронные данные?» — говорит Мехта. «Потребовался длительный период разработки, чтобы создать „математический микроскоп“, способный напрямую показать внутреннюю работу нейронов в процессе формирования памяти, — сказал Чоудхари. — Насколько нам известно, раньше это никому не удавалось».
Авторы заметили, что сигналы из неокортекса, подобно океанской волне, сначала формирующейся, а затем разбивающейся о берег, колеблются между включенным и выключенным состояниями в промежутках времени, пока человек или животное спит. При этом энторинальная кора ведет себя как пловец в воде, который может подниматься, когда образуется волна, и опускаться, когда она отступает. Но, используя это простое соответствие, модель затем обрела собственную жизнь и обнаружила новый тип состояния памяти, известный как спонтанная устойчивая инактивность, говорит Мехта.
«Как будто приходит волна, а энторинальная кора говорит: „Здесь нет волны!
Я помню, что волн не было, поэтому я собираюсь игнорировать эту текущую волну и не реагировать на нее вообще“. Это и есть устойчивая инактивность, — говорит Мехта. — Или же постоянная активность возникает, когда волна в коре исчезает, но энторинальные нейроны помнят, что совсем недавно была волна, и продолжают двигаться вперед». Хотя многие теории рабочей памяти указывали на наличие постоянной активности, которую обнаружили авторы, постоянная инактивность оказалась тем, что предсказывала модель, и она никогда не встречалась ранее.
«Самое замечательное в постоянном бездействии то, что оно практически не требует энергии, в отличие от постоянной активности, на которую уходит много ресурсов, — говорит Мехта. — А еще лучше то, что сочетание постоянной активности и бездействия более чем в два раза увеличивает объем памяти при сокращении затрат метаболической энергии в два раза».
«Математический микроскоп» сделал дюжину предположений и о многих других областях мозга. «К нашему удивлению, „математический микроскоп“ каждый раз выдавал верный результат, — продолжает Мехта. — Такое почти идеальное совпадение математических расчетов и экспериментов является беспрецедентным в нейронауке». Ученые продолжают эту работу, чтобы понять, как формируется сложная рабочая память и что происходит в энторинальной коре при болезни Альцгеймера, деменции и других расстройствах памяти.
Другое исследование показало, что употребление пищи с высоким содержанием жиров и сахара может привести к стойким нарушениям памяти у крыс, которых кормили этой пищей с раннего возраста. Вероятно, это связано с тем, что диеты с высоким содержанием простых сахаров и насыщенных жиров разрушают ацетилхолин — ключевой нейромедиатор в мозге животных, участвующий в памяти.