Здатність запам'ятовувати та зберігати спогади протягом кількох днів або всього життя – важлива функція
Розуміння того, як мозок зберігає інформацію тарегулює те, які спогади залишаться надовго, а які зникнуть, допоможе розробити методи для зміцнення пам'яті у тих, хто схильний до ризику вікових порушень, відновити нормальну роботу мозку після травми.
Як працює пам'ять?
Різні типи пам'яті створюються та зберігаютьсяпо-різному й у різних галузях мозку. Нейробіологи поки що не до кінця розуміють тонкощі всіх процесів, продовжують уточнювати деталі та відкривати нові функції мозку. Тим не менш, відомо, що автобіографічні спогади — спогади про події, пережиті особисто — починають набувати стійкої форми в частині мозку, званої гіпокампом, у години та дні, що йдуть за подією.
Нейрони - клітини нервової системи спілкуються один здругом через синапси. Це області, в яких дві клітини з'єднуються та обмінюються «інформацією» через крихітну щілину за допомогою хімічних послань (нейротрансмітерів). Кожен нейрон може бути пов'язаний за допомогою синапсів із тисячами інших.
Взаємодія нейронів під мікроскопом. Відео: UC Berkeley
Одна з ключових властивостей нейронів – синаптична.пластичність. Так називають здатність синапсів посилюватися чи слабшати з часом у відповідь збільшення чи зменшення активності взаємодії. Вважається, що довгострокові зміни ефективності роботи синапсів, що залежать від частоти «використання», є важливими для навчання, формування пам'яті та розвитку нейронів.
Нейрони постійно виробляють нові білки дляремоделювання частин синапсу, таких як рецептори для певних нейротрансмітерів. Це дозволяє нервовим клітинам вибірково зміцнювати свої зв'язки. В результаті формується мережа, яка кодує пам'ять. Чим частіше «активується» спогад, тим сильнішою стає його нейронна мережа. Такі структури виходять за межі гіпокампу та формують довгострокову пам'ять у різних відділах головного мозку.
Чи можна побачити спогади?
Ще наприкінці ХІХ століття вчені створили першімікроскопи досить потужні, щоб ідентифікувати окремі нейрони. До середини наступного століття електронні мікроскопи показали синаптичні структури завширшки всього кілька десятків нанометрів, а пізніше за допомогою двофотонних мікроскопів дослідники спостерігали, як синаптичні зв'язки формуються в режимі реального часу у процесі навчання.
Одна з моделей, яку нейробіологи використовуютьдля роботи з пам'яттю – це енграма. Так називають фізичний слід (нейронну мережу) конкретного спогаду у мозку. Клітини енграм — це популяції нейронів, реактивація яких призводить до індивідуального вилучення спогадів.
Численні дослідження в галузі генетикидозволили візуалізувати такі енграми. Наприклад, вчені використовували віруси, щоб впровадити зелений флуоресцентний білок, виявлений у медузах, мозок мишей, змушуючи нейрони світитися під час навчання. А, впроваджуючи чутливий до світла білок водоростей, каналродопсин (ChR2), можна штучно активувати ті чи інші нейрони, відключати або запускати певні енграми.
Наприклад, дослідники з MIT ідентифікувалиенграму, яка формувалася в мозку у мишей у процесі навчання страху. Повторна штучна активація цієї мережі нейронів за допомогою синього світла викликала у тварин «завмирання» - характерну реакцію на небезпеку.
Ще один метод візуалізації спогадівфункціональна магнітно-резонансна томографія (ФМРТ). Ця технологія заснована на зв'язку активності нейронів із зміною кровотоку головного мозку. Спостерігаючи за тим, як змінюється гемодинаміка (рух крові) дослідники визначають, які області мозку активні у той чи інший момент.
За допомогою цієї технології, наприклад,дослідники з Орегонського університету навчили ІІ розпізнавати та реконструювати образи осіб, що спливають у пам'яті людини. У процесі навчання учасникам показували фотографії облич різних людей, а комп'ютер обробляв дані фМРТ і формував шаблони мозкової активності, характерні для кожного знімка.
Після цього, коли учасникам показали новуневідому ІІ фотографію, на основі активності мозку комп'ютер спробував відновити обличчя на знімку. Хоча до повної схожості готового зображення було далеко штучна нейронна мережа досить точно визначила і відтворила деякі риси, а також відобразила суб'єктивне сприйняття людиною певних рис, наприклад кольору шкіри.
Схема експерименту: навчання (згори) та реконструкція невідомого зображення (знизу). Ілюстрація: Hongmi Lee, Brice A. Kuhl, Journal of Neuroscience
Чи можна маніпулювати спогадами?
Один із способів формування «хибнихспогадів» у мишей продемонстрували майже десять років тому дослідники з Массачусетського технологічного інституту. Запропонований вченими підхід ґрунтується на виявленні енграм, пов'язаних з певними подіями та їх активації за допомогою оптогенетики (управління нейронами за допомогою світла).
Схема експерименту зі створення хибнихспогадів. Вчені вважали патерн, відповідний середовищі A. Перемістили тварин у середовище B, включили струм і паралельно за допомогою світло активували нейрони енграми, відповідному середовищі A. Коли їх знову помістили в контекст A, вони показали помилковий спогад про страх для A (завмирання позначено хвилястими) ), де їх ніколи не били струмом. При цьому в нейтральному середовищі ніяких змін у поведінці не було. Зображення: Steve Ramirez et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience
Вчені провели генетичну корекцію мишей такимчином, щоб впровадити в нейрони ген, що кодує каналродопсин білок (ChR2). Це світлочутливий білок, який є фоторецептором у одноклітинних зелених водоростей. Ген був модифікований таким чином, щоб запускати експресію білка флуоресцентного при активації нейрона. Така модифікація дозволила вченим відстежувати, які нейрони активні (флуоресціюють) у процесі навчання, а також повторно активувати їх за допомогою світла.
Під час експерименту вчені поміщалилабораторних мишей у першу «кімнату» і зчитували енграму (нейронну мережу), яка відповідала спогадам про це середовище. Після цього тварин переміщали у друге середовище, активували нейрони, пов'язані з першою «кімнатою», та били струмом.
Подальший аналіз показав, що у тваринформувався хибний спогад, пов'язаний зі страхом вихідної області (першої «кімнати»). Хоча мишей там ніколи не били струмом, при помешканні цієї середи вони завмирали від страху.
Нормальна поведінка «навченої» миші до активації світла та страх після активації енграми, пов'язаної з минулим страхом. Відео: Liu, X. et al., Nature
Хоча ця робота є тількипримітивний експеримент, а мозок людини набагато складніший за мишачий, дослідження показує, як легко змінюються спогади під впливом зовнішніх впливів. Численні дослідження формування у людей у повсякденному житті помилкових спогадів підтверджують цю пластичність.
Читати далі:
Меч, який вважали підробкою, виявився артефактом бронзової доби і йому 3 000 років.
Нові уривки з «Книги Мертвих» знайшли у Єгипті
Таємничий відбиток під землею здивував вчених. Йому більше 1000 років