Волновые маркеры: как мозг отмечает то, что нужно запомнить

Ученый Юрий Бужаки заинтересовался волнами, когда учился в средней школе. В доме детства в Венгрии он собрал радиоприемник, настроил его на разные частоты и использовал радиопередатчик, чтобы общаться с незнакомцами от Фарерских островов до Иордании. Некоторые беседы он помнит лучше, чем другие, точно так же, как вы помните только определенные события из прошлого. Теперь, будучи профессором нейронаук в Нью-Йоркском университете, Бужаки перешел от радиоволн к ритмам мозга и задался вопросом: как мозг решает, что запоминать, а что нет.

Изучая электрические процессы в мозге, Бужаки стремится понять, как жизненные впечатления сохраняются в виде воспоминаний. Его исследования показали, что мозг отмечает переживания, которые стоит запомнить, неоднократно посылая внезапные и мощные высокочастотные волны. Эти волны, известные как «острые пульсации», или «волновая рябь», возникают в результате срабатывания многих тысяч нейронов в течение миллисекунд друг за другом. По словам Ваннан Янг из лаборатории Бужаки, возглавившей новую работу, эти процессы подобны фейерверку и возникают, когда мозг млекопитающих находится в состоянии покоя: во время перерыва между заданиями или во сне.

Как известно, эти острые волновые пульсации участвуют в хранении воспоминаний. Новое исследование показывает, что они играют большую роль при их отборе, что указывает на важность этих волн в процессе формирования долгосрочной памяти.

Это также объясняет неврологические причины, почему отдых и сон важны для сохранения информации. В состоянии покоя и бодрствования мозг выполняет разные программы: если вы постоянно спите, то не сможете сформировать воспоминания. Но и когда вы постоянно бодрствуете, они тоже не будут формироваться. «Если вы будете выполнять только один алгоритм, вы никогда ничему не научитесь, — объясняет Бужаки. — Необходимо делать перерывы». Во время перерыва и происходит фейерверк.

Репетиция для мозга

Бужаки впервые услышал острую волновую пульсацию в 1981 году. Он работал в Университете Западного Онтарио и слушал через динамик мозговую активность находящихся под наркозом грызунов. За девять лет исследований ученый привык к ритмичным колебаниям, которые издавал мозг бодрствующих животных. Внезапно в динамике раздался громкий и мощный звук, когда грызуны спали.

Для Бужаки этот звук был таким же значимым, как драматичный раскат  Симфонии №5 Бетховена. «Та-да-да-дам, — вспоминает он свое потрясение. — А потом еще один: та-да-да-дам!»

Что это было? Бодрствующий мозг грызунов генерировал электрическую активность, которая колебалась с постоянной скоростью. Однако под наркозом их мозг, по всей видимости, выдавал гораздо более быстрые импульсы, причем нерегулярно.

Подобные волны наблюдали и другие исследователи. Коллега Бужаки Корнелиус Вандервольф описал неритмичный узор в 1969 году, а лауреат Нобелевской премии нейробиолог Джон О’Киф в 1970-х годах придумал для их описания термин «рябь». Но Бужаки это явление полностью заворожило.

Он изучал эти электрические всплески в течение следующего десятилетия. В 1989 году он впервые выдвинул гипотезу о том, что резкие волновые пульсации могут быть частью механизма формирования и закрепления воспоминаний в мозге.

«Его идея была в том, что это не просто шумная активность, она имеет значение для мозга, — поясняет Михаэль Зугаро, нейробиолог из Коллеж де Франс, коллега Бужаки. — Это было потрясающее предвкушение будущих открытий, ведь в те времена мы знали так мало».

Новые оборудование и методы исследований 1990-х и 2000-х годов позволили лучше охарактеризовать явление. Бужаки и другие ученые обнаружили, что такая волна воспроизводит 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 показала, что острые пульсации реактивируют последовательность активности нейронов.

В 2009 и 2010 годах две работы показали, что острые волновые пульсации участвуют в закреплении воспоминаний, которые сохраняются в течение длительного времени. Когда исследователи подавляли или нарушали эти процессы, 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 воспоминания. «Мозг репетирует, — шутит Лила Давачи, профессор психологии Колумбийского университета. — Даже в моменты бодрствования мозг продолжает репетировать и воспроизводить прошлое».

«Представьте, что впечатления — это мелодия на фортепиано», — говорит Дэниел Бендор, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона. Для записи переживаний срабатывает определенная последовательность нейронов, подобно тому, как пианист нажимает на клавиши в определенном порядке. Затем, во время сна, гиппокамп повторяет эту последовательность: быстрее и потенциально сотни или тысячи раз. Бешеные острые волны распространяются от гиппокампа, который является перевалочным пунктом в мозге для «эпизодических воспоминаний», к коре головного мозга, которая хранит долгосрочную память.

Однако никто не мог объяснить, почему пульсации распространяются, когда мозг бодрствует и отдыхает. У ученых было много идей. Одни предполагали, что пульсации во время бодрствования помогают планировать или принимать решения. Другие считали, что они каким-то образом изменяют или перераспределяют воспоминания.

Третья идея была в том, что воспроизведения во время бодрствования и 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 провели эксперимент с мышами. Ученые построили лабиринт, куда по очереди помещали мышей. Они бегали по нему, неся на себе электроды, которые регистрировали активность гиппокампа. За прохождение определенных маршрутов мыши получали в награду воду, отдыхали в лабиринте, а после окончания испытаний их возвращали в домашнюю клетку, чтобы они могли вздремнуть. Исследователи продолжали записывать мозговую активность, пока животные спали.

Янг проанализировала данные, составив карту того, какие нейроны активируются во время различных испытаний. Она увидела большой разброс: одни нейроны активировались 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 острых волновых пульсаций, а за другими — нет.

Затем Янг сравнила активность мозга, зафиксированную во время прохождения мышами лабиринта, с соответствующими пульсациями, появившимися позже. Оказалось, что во время короткого отдыха мышей в лабиринте чаще повторялись те же процессы, что и во время сна.

Команда пришла к выводу, что пульсации в состоянии покоя могут быть механизмом, с помощью которого мозг определяет приоритетность опыта для запоминания. «Возможно, пульсации в состоянии бодрствования — это метки памяти, которые закрепляют определенные впечатления для долгосрочного хранения, — считает Янг. — Напротив, те, что не отмечены, не воспроизводятся во время сна и забываются».

В декабре прошлого года исследовательская группа под руководством Бендора из Университетского колледжа Лондона опубликовала в журнале Nature Communications результаты, которые подтвердили выводы Янг и Бужаки. Они тоже обнаружили, что резкие волновые пульсации, возникающие у крыс в бодрствующем и спящем состоянии, как бы маркируют опыт для запоминания.

«Мозговые паттерны отмечают все, что больше похоже на событие, а не на общее знание, — объясняет Лорен Франк, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. — Это очень интересный вывод».

«Возможно, мозг создает некий временной код, чтобы различать разные воспоминания», — говорит нейробиолог Фрейя Олафсдоттир.

Исследование оставляет без ответа важный вопрос: почему один опыт так важно запомнить, а другой — нет?

Иногда то, что мы вспоминаем, кажется случайным или неважным, и уж точно отличается от того, что мы выбрали бы, если бы могли. Поскольку исследования показывают, что эмоциональный или новый опыт запоминается лучше, возможно, внутренние колебания возбуждения или уровня нейромодуляторов, таких как дофамин или адреналин, и других химических веществ, влияющих на нейроны, в конечном итоге выбирают опыт, предполагают исследователи.

Шантану Джадхав подтверждает эту мысль: «Внутреннее состояние организма может повлиять на то, что опыт будет закодирован и сохранен более эффективно. Но неизвестно, что делает один опыт более привлекательным для запоминания». И в случае с исследованием Янг и Бужаки неясно, почему мышь запоминает одно испытание лучше, чем другое.

Бужаки продолжает изучать роль острых волновых пульсаций в гиппокампе, хотя его команду также интересуют потенциальные возможности применения этих наблюдений. Например, возможно, что ученые смогут нарушить пульсации в рамках лечения таких заболеваний, как посттравматическое стрессовое расстройство, при котором люди слишком ярко помнят определенные переживания. «Здесь можно получить отличный результат: убрать острые волны и забыть о том, что вы пережили» — утверждает он.

Бужаки будет продолжать наблюдать за этими мощными мозговыми волнами, чтобы узнать больше о том, почему мы запоминаем некоторые вещи лучше, чем другие.

Источник