Как мозг запоминает нужное место и время

Около десяти лет назад у крыс была обнаружена группа нейронов, известная как «клетки времени». Эти клетки, по-видимому, играют уникальную роль в записи событий, позволяя мозгу правильно отмечать порядок того, что происходит в эпизодической памяти.

Как мозг запоминает нужное место и время

Эти клетки, расположенные в гиппокампе головного мозга, демонстрируют характерный паттерн активности, в то время как животные кодируют и вспоминают события, объясняет Брэдли Лега, доктор медицины, доцент неврологической хирургии в UTSW и старший автор исследования PNAS. По словам Лега, срабатывая в воспроизводимой последовательности, они позволяют мозгу организовываться, когда происходят события. Время их срабатывания контролируется мозговыми волнами 5 Гц, называемыми тета-колебаниями, в процессе, известном как прецессия.

Lega исследовала, есть ли у людей также временные клетки, используя задачу памяти, которая предъявляет высокие требования к информации, связанной со временем. Лега и его коллеги набрали добровольцев из отдела мониторинга эпилепсии Института мозга Питера О’Доннелла-младшего в Юго-Западном Юго-Западном университете, где пациенты с эпилепсией остаются в течение нескольких дней перед операцией, чтобы удалить поврежденные части их мозга, вызывающие припадки. По словам Лега, электроды, имплантированные в мозг этих пациентов, помогают их хирургам точно идентифицировать очаги приступа, а также предоставляют ценную информацию о внутренней работе мозга.

Регистрируя электрическую активность гиппокампа в мозгу 27 добровольцев, исследователи заставляли их выполнять задачи «свободного вспоминания», которые включали чтение списка из 12 слов в течение 30 секунд, выполнение короткой математической задачи, чтобы отвлечь их от повторения списков, а затем вспоминая как можно больше слов из списка в течение следующих 30 секунд. Эта задача требует связать каждое слово с отрезком времени (список, в котором оно было), что позволило Леге и его команде искать временные ячейки. То, что обнаружила команда, было захватывающим: они не только определили устойчивую популяцию временных ячеек, но и запуск этих ячеек предсказал, насколько хорошо люди могут связывать слова вместе во времени (явление, называемое временной кластеризацией). Наконец, эти клетки, по-видимому, демонстрируют прецессию фаз у людей, как и было предсказано.

«В течение многих лет ученые предполагали, что временные клетки подобны клею, который скрепляет воспоминания о событиях в нашей жизни», — говорит Лега. «Это открытие особенно элегантно подтверждает эту идею».

Во втором исследовании, опубликованном в журнале Science, Брэд Пфайффер, доктор философии, доцент кафедры нейробиологии, возглавил команду, исследующую клетки места — популяцию клеток гиппокампа как у животных, так и у людей, которая фиксирует, где происходят события. Исследователи давно знают, что по мере того, как животные проходят путь, по которому они шли раньше, нейроны, кодирующие разные места на этом пути, будут активироваться в такой же последовательности, как временные клетки, в порядке временных событий, объясняет Пфайффер. Кроме того, в то время как крысы активно исследуют окружающую среду, клетки места дополнительно организуются в «мини-последовательности», которые представляют собой виртуальный проход по местоположениям перед крысой. Эти подобные радарам развертки происходят примерно 8-10 раз в секунду и считаются мозговым механизмом для прогнозирования немедленно наступающих событий или результатов.

До этого исследования было известно, что когда крысы прекращали бегать, клетки места часто реактивировались в длинных последовательностях, которые, казалось, воспроизводили предыдущий опыт крысы в ​​обратном порядке. Хотя было известно, что эти «обратные повторы» важны для формирования памяти, было неясно, как гиппокамп мог производить такие последовательности. Действительно, значительная работа показала, что опыт должен укреплять последовательности «вперед», «смотреть вперед», но ослаблять обратное воспроизведение.

Чтобы определить, как эти обратные и прямые воспоминания работают вместе, Пфайффер и его коллеги поместили электроды в гиппокамп крыс, а затем позволили им исследовать два разных места: квадратную арену и длинный прямой след. Чтобы побудить их перемещаться по этим пространствам, они поставили в разных местах колодцы с шоколадным молоком. Затем они проанализировали активность клеток места животных, чтобы увидеть, как она соответствует их местоположению.

Определенные нейроны активируются, когда крысы блуждают по этим пространствам, кодируя информацию на месте. Эти же нейроны активировались в той же последовательности, что и крысы, возвращаясь по своим траекториям, и периодически активировались в обратном направлении, когда они совершали разные этапы своего путешествия. Однако, внимательно изучив данные, исследователи обнаружили кое-что новое: когда крысы перемещались по этим пространствам, их нейроны не только демонстрировали прямые предсказательные мини-последовательности, но также и обратные ретроспективные мини-последовательности. Последовательности вперед и назад чередовались друг с другом, каждая из которых занимала всего несколько десятков миллисекунд.

«Пока эти животные двигались вперед, их мозг постоянно переключался между ожиданием того, что произойдет дальше, и воспоминанием о том, что только что произошло, — и все это в пределах долей секунды», — говорит Пфайффер.

Пфайфер и его команда в настоящее время изучают, какие сигналы эти клетки получают от других частей мозга, вызывающих