Исследователи из Университета Райса и Мичиганского университета обнаружили, что определенные нейроны мозга не только воспроизводят прошедший опыт, но и предвидят будущие события во время сна.
В ходе исследования активности гиппокампа крыс ученые обнаружили, что нейроны стабилизируют пространственные представления и готовятся к будущим задачам. Это открытие раскрывает роль сна в нейропластичности и консолидации памяти.
Некоторые сны могут предсказывать будущее. Новое исследование показало, что во время сна нейроны не только воспроизводят недавнее прошлое, но и предвидят будущие события.
Это открытие является частью серии выводов, полученных в результате исследования сна и обучения, опубликованных в журнале Nature. Исследование предлагает беспрецедентный взгляд на то, как отдельные нейроны в гиппокампе крыс стабилизируют и настраивают пространственные представления в периоды отдыха после нового опыта.
«Некоторые нейроны срабатывают в ответ на определенные стимулы, — сказал Камран Диба, научный сотрудник кафедры анестезиологии в Мичиганском университете и автор исследования. — Нейроны зрительной коры срабатывают при предъявлении соответствующего зрительного стимула. Нейроны, которые мы изучаем, демонстрируют предпочтения места».
Вместе с сотрудниками Мичиганской лаборатории нейронных цепей и памяти под руководством Дибы нейробиолог из Райса Калеб Кемер изучал процесс, с помощью которого эти специализированные нейроны создают представление о мире после нового опыта.
В частности, ученые отслеживали острую волновую рябь — образец активации нейронов, который, как известно, играет роль в консолидации новых воспоминаний, а совсем недавно также показал, что отмечает, какие части нового опыта должны храниться в качестве воспоминаний.
«Впервые в этой статье мы наблюдали, как эти отдельные нейроны стабилизируют пространственные представления во время периодов отдыха», — сказал Кемер, научный сотрудник кафедры электротехники, вычислительной техники и биоинженерии в Райсе.
Сон имеет решающее значение для памяти и обучения — наука количественно оценила эту давнюю интуицию, измеряя производительность в тестах на память после сна, а не после периода бодрствования или даже лишения сна.
Пару десятилетий назад ученые также обнаружили, что нейроны в мозгу спящих животных, которым разрешили исследовать новую обстановку непосредственно перед отдыхом, активировались таким образом, что воспроизводили траектории животных во время исследования.
Это открытие согласуется с тем, что сон помогает новому опыту кристаллизоваться в устойчивые воспоминания, что позволяет предположить, что пространственные представления многих из этих специализированных нейронов в гиппокампе стабильны во время сна. Тем не менее, исследователи хотели узнать, есть ли в этой истории что-то еще.
«Мы предполагали, что некоторые нейроны могут изменить свои представления — отражая опыт, который мы все получили, когда проснулись с новым пониманием проблемы, — сказал Кемер. — Однако для того, чтобы показать это, нам необходимо проследить, как отдельные нейроны достигают пространственной настройки, то есть процесс, посредством которого мозг учится перемещаться по новому маршруту или окружающей среде».
Исследователи обучали крыс бегать взад и вперед по приподнятой дорожке с жидким вознаграждением на обоих концах и наблюдали, как при этом «подскакивают» отдельные нейроны в гиппокампе животных. Рассчитав среднюю скорость всплесков за множество кругов вперед и назад, ученые смогли оценить поле места нейронов — или область в окружающей среде, о которой данный нейрон «заботится» больше всего.
«Критическим моментом здесь является то, что поля места оцениваются на основе поведения животного, — сказал Кемер, подчеркнув сложность оценки того, что происходит с полями размещения в периоды отдыха, когда животное физически не перемещается по лабиринту».
«Я долго думал о том, как мы можем оценить предпочтения нейронов вне лабиринта, например, во время сна, — сказал Диба. — Мы решили эту проблему, связав активность каждого отдельного нейрона с активностью всех остальных нейронов».
Это было ключевым нововведением исследования: ученые разработали статистический подход машинного обучения, который использовал другие обследованные нейроны для определения оценки, где животное мечтало оказаться. Затем они использовали эти позиции во сне, чтобы оценить процесс пространственной настройки для каждого нейрона в своих наборах данных.
«Способность отслеживать предпочтения нейронов даже без стимула стала для нас важным прорывом, — сказал Диба.
И Диба, и Кемер высоко оценили Куроша Мабуди, постдокторанта из Мичиганского университета и ведущего автора исследования, за его роль в разработке подхода к настройке, основанного на обучении.
Метод подтвердил, что пространственные представления, которые формируются во время пребывания в новой среде, для большинства нейронов стабильны в течение нескольких часов сна после опыта. Но, как и ожидали исследователи, в этой истории было нечто большее.
«Что мне больше всего понравилось в этом исследовании и причина, по которой я был так взволнован им, так это то, что это не обязательно тот случай, когда во время сна единственное, что эти нейроны — это стабилизировать память об этом опыте, — сказал Кемер. — Оказывается, некоторые нейроны в конечном итоге делают что-то другое. Мы можем видеть эти другие изменения, происходящие во время сна, и когда мы помещаем животных обратно в окружающую среду во второй раз, мы можем подтвердить, что эти изменения действительно отражают то, что было изучено во время сна».
Это важно, поскольку представляет собой прямое наблюдение за нейропластичностью, происходящей во время сна. Кемер подчеркнул, что почти все исследования пластичности (которые изучают механизмы, позволяющие нейронам перестраиваться и формировать новые представления) смотрят на то, что происходит в периоды бодрствования, когда предъявляются стимулы, а не во время сна, когда соответствующие стимулы отсутствуют.
«Похоже, что пластичность или перестройка мозга требуют очень быстрых временных рамок, — сказал Диба, указывая на удивительную взаимосвязь между продолжительностью реального опыта, который может занимать секунды, минуты, но также часы или дни, и настоящими воспоминаниями, которые очень сжаты. — Если вы что-то и помните, то воспоминания — это мгновенно», — сказал Диба, ссылаясь на известный литературный отрывок французского писателя-модерниста Марселя Пруста, в котором детские воспоминания раскручивают целый потерянный мир прошлого опыта почти в любой момент.
Исследование является примером достижений в нейробиологии, ставших возможными за последние несколько десятилетий благодаря технологическому прогрессу в разработке стабильных нейронных зондов с высоким разрешением, а также вычислительной мощности, поддерживаемой машинным обучением.
Литература.
“Retuning of hippocampal representations during sleep” by Kamran Diba et al. Nature
