Эта история, рассказанная клиническим психиатром и соавтором нового исследования Мохсином Ахмедом, доктором медицины, является ярким примером мощной способности мозга запоминать и связывать события, разделенные во времени. И теперь, в новом исследовании на мышах, опубликованном сегодня в Neuron, ученые из Колумбийского института Цукермана пролили свет на то, как мозг может формировать такие прочные связи.
Ученые обнаружили удивительный механизм, с помощью которого гиппокамп, область мозга, критическая для памяти, наводит мосты во времени: запуская всплески активности, которые кажутся случайными, но на самом деле составляют сложный паттерн, который со временем помогает мозгу учиться. ассоциации. Раскрывая схему, лежащую в основе ассоциативного обучения, полученные данные закладывают основу для лучшего понимания тревожности и расстройств, связанных с травмами и стрессорами, таких как панические и посттравматические стрессовые расстройства, при которых кажущееся нейтральным событие может вызвать отрицательную реакцию.
«Мы знаем, что гиппокамп важен в формах обучения, которые включают связь двух событий, которые происходят с интервалом от 10 до 30 секунд», – сказал Аттила Лозонци, доктор медицинских наук, главный исследователь в Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute и соавтор статьи. "Эта способность является ключом к выживанию, но механизмы, лежащие в ее основе, оказались неуловимыми. В сегодняшнем исследовании на мышах мы составили карту сложных вычислений, которые мозг выполняет, чтобы связать отдельные события, разделенные во времени."
Гиппокамп – небольшая область в форме морского конька, спрятанная глубоко в мозгу – это важный центр обучения и памяти. Предыдущие эксперименты на мышах показали, что нарушение работы гиппокампа приводит к тому, что животные не могут научиться связывать два события, разделенных десятками секунд.
«Преобладающее мнение заключалось в том, что клетки гиппокампа поддерживают уровень постоянной активности, связанной с такими событиями», – сказал д-р. Ахмед, доцент кафедры клинической психиатрии Колумбийского колледжа врачей и хирургов Вагелос и соавтор сегодняшнего исследования. "Выключение этих клеток, таким образом, нарушит обучение."
Чтобы проверить эту традиционную точку зрения, исследователи визуализировали части гиппокампа мышей, когда животные подвергались воздействию двух разных стимулов: нейтрального звука и небольшого, но неприятного дуновения воздуха. Пятнадцатисекундная задержка разделяла два события.
Ученые повторили этот эксперимент в нескольких испытаниях. Со временем мыши научились ассоциировать тон с грядущим глотком воздуха. Используя передовую двухфотонную микроскопию и функциональную визуализацию кальция, они зарегистрировали активность тысяч нейронов, типа клеток мозга, в гиппокампе животных одновременно в течение каждого испытания в течение многих дней.
«При таком подходе мы могли бы имитировать, хотя и более простым способом, процесс, через который проходит наш мозг, когда мы учимся связывать два события», – сказал доктор.
Лозонци, который также является профессором нейробиологии в Колумбийском колледже врачей и хирургов Вагелос.
Чтобы разобраться в собранной информации, исследователи объединились с компьютерными нейробиологами, которые разработали мощные математические инструменты для анализа огромных объемов экспериментальных данных.
«Мы ожидали увидеть повторяющуюся, непрерывную нейронную активность, которая сохранялась в течение пятнадцатисекундного перерыва, что свидетельствует о работе гиппокампа, связывающей слуховой тон и дуновение воздуха», – сказал компьютерный нейробиолог Стефано Фузи, доктор философии, главный исследователь в Columbia’s Zuckerman. Институт и соавтор статьи. "Но когда мы начали анализировать данные, мы не увидели такой активности."
Вместо этого нейронная активность, зарегистрированная во время пятнадцатисекундного промежутка времени, была скудной. Только небольшое количество нейронов сработало, и они сделали это, казалось бы, случайным образом.
Эта спорадическая активность сильно отличалась от постоянной активности, которую мозг демонстрирует во время других задач обучения и запоминания, таких как запоминание телефонного номера.
«Похоже, что на протяжении всего задания активность происходит скачками и всплесками в прерывистые и случайные периоды времени», – сказал Джеймс Пристли, докторант, со-наставником которого являются доктора. Лозонци и Фузи из Колумбийского института Цукермана и соавтор статьи. "Чтобы понять активность, нам пришлось изменить способ анализа данных и использовать инструменты, предназначенные для понимания случайных процессов."
В конце концов, исследователи обнаружили закономерность в случайности: стиль мысленных вычислений, который, по-видимому, является чрезвычайно эффективным способом хранения информации нейронами. Вместо того, чтобы постоянно общаться друг с другом, нейроны экономят энергию – возможно, за счет кодирования информации в связях между клетками, называемых синапсами, а не за счет электрической активности клеток.
«Мы были счастливы видеть, что мозг не поддерживает постоянную активность в течение всех этих секунд, потому что с точки зрения метаболизма это не самый эффективный способ хранения информации», – сказал доктор.
Фуси, который также является профессором нейробиологии в Колумбийском колледже врачей и хирургов Вагелос. "У мозга, кажется, есть более эффективный способ построить этот мост, который, как мы подозреваем, может включать изменение силы синапсов."
Эти данные не только помогают составить карту схем, участвующих в ассоциативном обучении, но и служат отправной точкой для более глубокого изучения расстройств, связанных с дисфункциями ассоциативной памяти, таких как паника и посттравматическое стрессовое расстройство.
«Хотя наше исследование не моделирует явным образом клинические синдромы любого из этих расстройств, оно может быть чрезвычайно информативным», – сказал д-р. Ахмед, который также является сотрудником лаборатории Лозонци в Колумбийском институте Цукермана. «Например, это может помочь нам смоделировать некоторые аспекты того, что может происходить в мозгу, когда пациенты испытывают пугающую ассоциацию между двумя событиями, которая для кого-то другого не вызовет испуга или паники."