При вспоминании нейроны возбудились в последовательности запоминания

МЕНЮ


Искусственный интеллект
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


2020-03-06 22:03

память

Американские ученые установили, что при вспоминании материала нейроны в коре мозга человека возбуждаются в той же последовательности, что и при запоминании информации, а успешность ответа зависит от того, насколько эти паттерны совпадают. Точность извлечения памяти также связана с тем, синхронизируются ли всплески активности нейронов с возбуждением медиальной височной коры. Статья опубликована в журнале Science.

Вспоминание определенных событий связано с повторением последовательного возбуждения участков мозга, которые были активны во время исходного эпизода. В конце прошлого века ученые обнаружили, что у крыс, когда они отдыхают в домашней клетке или даже спят, проигрываются те же последовательности разряда нейронов медиальной височной доли мозга, что и во время исследования лабиринта, которое проводили заранее. Ученые предполагают, что повторение паттернов активации лежит в основе извлечения и консолидации памяти и, возможно, планирования действий.

Последовательное проигрывание нейронного возбуждения в медиальной височной доле у крыс связано с возникновением частых веретенообразных колебаний (осцилляций) на электроэнцефалограмме. Похожие ритмы возникают и при извлечении эпизодической памяти у людей. Однако до сих пор не существовало данных, которые бы убедительно доказывали, что и на уровне отдельных нейронов у человека при воспоминании проигрываются определенные последовательности. Все дело в том, что инвазивные исследования на людях разрешены только во время необходимых медицинских вмешательств, а неинвазивные методы не позволяют регистрировать активность отдельных нервных клеток.

Группа ученых под руководством Алекса Ваза (Alex Vaz) из Национального института неврологических расстройств и инсульта США провела исследование на пациентах с эпилепсией. Таким людям имплантируют электроды, чтобы найти источник судорожной активности в мозге. Информацию собирали от электродов, которые находились в передней теменной доле и регистрировали возбуждение отдельных нейронов и локальные потенциалы.

Кроме того, исследователи записывали электрокортикограмму — метод, схожий с электроэнцефалографией, с отличием в том, что электроды накладывают не на кожу, а непосредственно на кору мозга. Таким образом, ученые могли сравнивать нейронную активность как на уровне отдельной клетки, так и в большем масштабе, а также проследить за синхронизацией двух зон: медиальной височной коры и средней височной извилины.

Электроды в средней височной извилине. Серой стрелкой показан пучок микроэлектродов, которые регистрировали активность отдельных электродов и локальный потенциал. На нижней картинке также есть сетка электродов для кортикограммы.

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Локализация пучков микроэлектродов в коре добровольцев

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Участников исследования просили запоминать пары не связанных между собой слов (например, «ворона» и «джип»). Затем им показывали одно из слов («ворона») и просили вспомнить и назвать второе («джип»). Электрическую деятельность мозга записывали как вовремя запоминания слов, так и при их воспроизведении. Чтобы выделить последовательности разряда нейронов внутри одного всплеска активности, ученые разделили их в соответствии с тем, когда частота их разряда достигала максимума. Затем сравнивали два всплеска между собой и смотрели, сохраняют ли клетки такой же временной паттерн активности.

Веретенообразные осцилляции, которые регистрировали в средней височной извилине, всегда совпадали с событиями на двух уровнях меньшего масштаба: схожими колебаниями локального потенциала и всплеском активности отдельных нейронов. Такие явления регулярно повторялись в процессе запоминания каждой пары слов. Внутри каждого всплеска формировалась определенная последовательность разряда индивидуальных клеток, и в одной попытке (попыткой обозначили изучение и повторение одной пары слов) паттерн практически не менялся. В разных же пробах одни и те же нейроны возбуждались в разном порядке.

Сверху: электрокортикограмма медиальной височной доли (MTL) и средней височной извилины (MTG). Посередине: локальный потенциал (цвета отображают частоту разрядов). Снизу: активность отдельных нейронов

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Всплески активности отдельных нейронов при запоминании пары слов "cake-fox" (красные линии). Каждая строка - один нейрон. На нижней картинке строки реорганизованы и промаркированы разными цветами в соответствии с порядком разряда нейронов (фиолетовый -самые ранние, желтый - поздние)

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Последовательность разряда нейронов во время двух разных попыток (в первой попытке пара слов - "steam-seal", во второй - "seat-bath"). Нейроны промаркированы цветами в соответствии с их порядком разряда в первой попытке. Стрелками показаны примеры реорганизации нейронов при формировании другого паттерна во второй попытке

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Ученые сравнили удачные (когда при тестировании участники правильно называли второе слово) и неудачные попытки. В пробах, в которых добровольцы отвечали правильно, последовательности разряда нейронов между всплесками при обучении были более схожими, чем когда слово называли неправильно. Авторы работы предполагают, что повторение одинаковых паттернов активации клеток связано с успешным запоминанием.

Удачные (сиреневый) и неудачные (розовый) попытки. Вертикальная ось - показатель совпадения последовательности разряда нейронов между всплесками внутри одной попытки

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Затем исследователи проанализировали всплески, которые возникали при извлечении памяти (то есть при тестировании). Последовательность разряда нейронов в них постепенно менялась и становилась все больше похожей на паттерн, который регистрировали в процессе запоминания. Когда «мелодия», которую проигрывали клетки, максимально синхронизировалась с предыдущей, участники называли ответ. В неудачных же попытках последовательность не увеличивала свое сходство с «правильной» во времени.

Регистрация активности отдельных нейронов во время запоминания пары слов (снизу слева) и тестировании (снизу справа). Пунктирная линия - момент, когда было показано тестовое слово. Сверху вынесены в увеличенном масштабе последовательности разряда в конце обучения и перед тем, как участник назвал правильный ответ

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Показатель совпадения последовательности разряда нейронов при тестировании в сравнении с усредненной последовательностью при обучении. Горизонтальная ось - временная шкала (0 - момент ответа). Сиреневый - удачные попытки, красный - неудачные

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Каждому всплеску активности отдельных нейронов соответствовала осцилляция в средней височной извилине, но не каждый раз такое колебание возникало в медиальной височной коре. При синхронизации возбуждения в этих двух участках мозга «правильность» последовательности на уровне отдельных нейронах была гораздо выше, чем когда медиальная височная кора не активировалась. Это подтверждает предположения о роли этой зоны в извлечении памяти.

А: при отсутствии осцилляции в медиальной височной доле (MTL) последовательноть разряда нейронов не совпадает с таковой при запоминании пары слов (справа); при синхронизации двух зон коры - совпадает (слева). И: всплески активности нейронов (снизу, выделены фиолетовой полосой); сверху - электрокортикограмма медиальной височной доли (MTL) и средней височной извилины (MTG). Осцилляции в обеих зонах коры совпадают только в последнем перед правильным ответом всплеске

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

Розовый - всплески, синхронизированные с осцилляциями в медиальной височной доле, сиреневый - не синхронизированные. Вертикальная ось - показатель совпадения последовательности разряда нейронов при тестировании в сравнении с усредненной последовательностью при обучении

Alex Vaz, John Wittig Jr., Sara Inati & Kareem Zaghloul / Science, 2020

То, что височные доли коры больших полушарий участвуют в запоминании памяти, подтверждает, например, следующее исследование: ученые инвазивно стимулировали височные зоны людей для улучшения запоминания текстовой информации, и им удалось увеличить число правильных ответов на 15 процентов.

Алиса Бахарева


Источник: nplus1.ru

Комментарии: