В състояние на покой електрическите пулсации в мозъка маркират спомените, които трябва да се съхранят и това доказва колко важни неща са почивката и сънят.
Унгарският изследовател Гьорги Бужаки още като дете изработил радиоприемник, като го настройвал на различни електромагнитни честоти и използвал радиопредавател, за да разговаря с
непознати от Фарьорските острови до Дания.
Той си спомня някои от тези разговори от дните на „самоделното си радио“ по-добре от
други. Сега, като професор по неврология в Нюйоркския университет, Бужаки прехвърля интереса си от радиовълните към мозъчните вълни, за да се запита: Как мозъкът решава какво да
запомни? На отговора на този въпрос WIRED отделя специално внимание.
Като изучава електрическите модели в мозъка, Бужаки се опитва да разбере как преживяванията ни се представят и запазват като спомени. Нови изследвания, проведени в неговата и в други лаборатории, показват, че мозъкът маркира преживяванията, които си струва да бъдат запомнени, чрез многократно изпращане на внезапни и мощни високочестотни мозъчни вълни. Известни като „пулсации на остри вълни“, те са предизвикани от задействането на хиляди неврони в рамките на милисекунди и са „като фойерверки в мозъка“, казва Уаннан Янг, докторант в лабораторията на Бужаки, която е ръководител на новото проучване, публикувано в „Science“ през март.
Тези пулсации се задействат, когато мозъкът на бозайниците е в покой – по време на почивка между задачите или по време на сън. Вече е известно, че острите вълни участват в консолидирането на спомените или тяхното съхраняване. Новото изследване показва, че те участват и в подбора им, което сочи за важността на тези вълни в целия процес на формиране на дългосрочната памет.
То предоставя и неврологични доказателства защо почивката и сънят са важни за запазването на информацията. Почиващият и будният мозък изглежда работят с различни програми: ако постоянно спите, няма да формирате спомени. Ако сте будни през цялото време, няма да ги запазите.
„Ако изпълнявате само един алгоритъм, никога няма да научите нищо“, твърди Бужаки. „Трябва да има прекъсвания.“ По време на тези прекъсвания „избухват фойерверките“.
Репетицията на мозъка
Бужаки никога няма да забрави първия път, когато чува пулсиране на остра вълна. Било е през 1981 г., когато той е бил постдокторант в Университета на Западно Онтарио и е слушал мозъчната дейност на анестезирани гризачи през високоговорител. След около девет години изследвания той свикнал с ритмичните, мелодични осцилации, които звучали, докато будните животни изследвали средата си. Не бил подготвен за внезапното „бум“, което се разнасяло през високоговорителя му, когато гризачите спяли.
За Бужаки звукът е толкова дълбок, колкото драматичният рефрен в Пета симфония на Бетовен. „Та-та-та-таааа“, запява той, докато си спомня за шока си. И след това още една пулсация: „Та-та-та-таааа „.
Като дете Гьорги Бужаки се настройва на радиовълни. Сега, като професор по неврология, той се настройва на мозъчните вълни, за да проучи как електрическата активност на невроните консолидира и съхранява дългосрочни спомени.
Какво се случва? Мозъците на гризачите в будно състояние са генерирали електрическа активност, която е осцилирала с постоянна скорост. Когато обаче са били анестезирани, мозъците им са започвали да работят неравномерно и с много по-бързи и мощни вълни.
Други изследователи също са наблюдавали острите вълни. Постдокторантът на Бужаки, Корнелиус Вандерволф, е описал нерегулярните модели през 1969 г., а носителят на Нобелова награда за невробиология Джон О’Кийф е въвел термина „пулсации“, за да ги опише през 70-те години. Но Бужаки се вманиачава по тях едва, когато ги чува сам.
През следващото десетилетие той прекарва голяма част от времето си в лабораторията, опитвайки се да характеризира тези електрически избухвания. В края на 80-те години на миналия век изследователите откриват, че могат да накарат невроните да създават по-силни взаимовръзки, свързани с ученето и паметта, като изкуствено стимулират избухвания на остри вълни.
За Бужаки тези импулси звучат много подобно на неговите вълни. През 1989 г. той за първи път изказва хипотезата, че острите вълни могат да бъдат част от мозъчния механизъм за формиране и консолидиране на спомени.
„У него се роди идеята, че това не е някаква обикновена шумна активност, а е от голямо значение за мозъка“, споделя Михаел Зугаро, невролог от Колеж дьо Франс, който през 2002 г. работи като докторант в лабораторията на Бужаки.
През 90-те години и началото на 2000 г. изследователите се възползваха от подобрената изчислителна мощ и новите инструменти, които можеха да записват електрическата активност на над 100 неврона едновременно, за да характеризират по-добре острите вълни.
Бужаки и други учени откриват, че вълните сякаш възпроизвеждат мозъчната активност от преживяното от животните, например бягане през лабиринт. С изключение на това, че възпроизвеждащите вълни осцилират 10 до 20 пъти по-бързо от оригиналните сигнали. Хироаки Норимото, професор по неврология в Университета в Нагоя, Япония, споделя, че една статия от 2002 г. прави вълните с остър характер много известни – в нея се установява, че тези вълни реактивират поредица от невронни дейности.
През 2009 г. и 2010 г. две статии, сред които и тази, под ръководството на Зугаро, показват, че пулсациите на острите вълни участват в консолидирането на спомените, за да се запазят те в дългосрочен план.
Когато изследователите потискат или прекъсват пулсациите, плъховете се справят по-зле със задачите, свързани с паметта.
„Когато унищожите тези вълни, животното вече не си спомня“, пояснява Зугаро. По-късни изследвания показват, че удължаването или създаването на повече пулсации подобрява
паметта на плъховете.
Стана ясно, че пулсациите се възпроизвеждат многократно, за да затвърдят спомена. „Мозъкът репетира“, казва Лила Давачи, професор по психология в Колумбийския университет.
„Дори в тези моменти на будна почивка мозъкът ви продължава да репетира и да възпроизвежда миналото.“
Представете си преживяването като „мелодия на пиано“, казва Даниел Бендор, невролог от Университетския колеж в Лондон. Специфична поредица от неврони се задейства, за да запише преживяването, точно както пианистът изсвирва определена последователност от клавиши. След това, по време на сън, хипокампусът повтаря тази последователност, но по-бързо и потенциално стотици или хиляди пъти.
Острите вълни се разпространяват от хипокампуса – междинна станция в мозъка за „епизодични спомени“ за конкретни преживявания, към кората на главния мозък, която участва в съхраняването на дългосрочната памет.
Никой обаче не може да обясни защо пулсациите се разпространяват, докато животното е
будно и си почива. „[Те] трябва да служат за някаква друга цел“, споделя Бендор. Учените имат много предположения. Някои от тях предложили, че пулсациите в будно състояние помагат при планирането или вземането на решения. Други смятат, че те променят или преразпределят спомените по някакъв начин.
Друга идея, предложена от няколко групи, е, че възпроизвеждането по време на бодърстване и възпроизвеждането по време на сън са тясно свързани. И че те могат да бъдат механизмът, чрез който мозъкът избира кои преживявания да запомни.
Изпитания на паметта
В Нюйоркския университет кутии с почиващи и анестезирани мишки се намирали в осветена в инфрачервено стая. В съседното помещение имало ръчно изработени лабиринти, направени от пластмаса и тиксо. Мишките били поставяни една по една в лабиринтите. Те тичали наоколо, носейки електроди, които записвали активността на около 500 хипокампални неврона и се научавали, че определени маршрути ще им донесат награда от вода.
Докато изследвали лабиринта, мишките правели малки почивки, за да си починат или да се погрижат за себе си. След приключване на опитите те се връщали в домашната си клетка, за да подремнат. Изследователите продължавали да записват мозъчната им активност, докато спели.
Янг анализирала данните, като картографирала кои неврони се задействат по време на различните опити. Тя видяла много различия – някои неврони се задействали по време на ранните опити, а други – по време на по-късните. Понякога те се задействали с различна скорост. Това ѝ подсказло, че мозъкът записва по различен начин преживяванията на животните по време на отделните опити. Забележително е, че някои опити са били последвани от изблици на остри вълни, докато други не са били.
Уаннан Янг анализирала изблиците на мозъчна активност, известни като остри вълни, които се разигравали, докато мишките си почивали и докато спели. Когато животните си почивали, пулсациите възпроизвеждали невронни последователности, които са се случили в лабиринта.
По-късно, по време на сън, тези последователности се възпроизвеждали отново, за да формират дългосрочни спомени. След това Уаннан Янг сравнявала мозъчната активност, записана по време на преживяванията на мишките в лабиринта, със съответните пулсации, които се появявали по-късно. Опитите, които се възпроизвеждали по-често, докато мишките само си почивали, били същите, които се възпроизвеждали, докато мишките спели.
Опитите, които не са се възпроизвеждали, когато мишките са били будни, не са се възпроизвеждали и по време на сън.
Екипът стигнал до заключението, че пулсациите в състояние на покой може да са механизъм, чрез който мозъкът определя приоритетите за запомняне на преживяванията.
„Може би пулсациите в будно състояние са тези маркери на паметта“, които консолидират определени преживявания за дългосрочно съхранение, казва Янг и допълва: „А тези, които не са маркирани, не се възпроизвеждат по време на сън и ще бъдат забравени.“
„Трябва да има някакъв вид подбор, за да се запомни това, което е от значение и да се забрави останалото“, споделя Зугаро.
През декември миналата година изследователски екип, ръководен от Бендор от Университетския колеж в Лондон, публикува в „Nature Communications“ резултати от изследвания, които изпреварват тези на Янг и Бужаки. Те също установяват, че острите вълни, които се излъчват, когато плъховете са будни или заспали, изглежда маркират преживяванията за паметта. Техният анализ обаче е осреднил няколко различни опита – подход, който не е толкова прецизен, колкото този на Янг и Бужаки.
Ключовото нововъведение на екипа от Нюйоркския университет е, че в своя анализ са включили елемента време, който отличава подобни спомени един от друг. Мишките са се движели в едни и същи модели на лабиринт и въпреки това тези изследователи успели да разграничат блоковете от опити на невронно ниво – резолюция, която никога не е била постигана преди.
Мозъчните модели маркират „нещо, което е малко по-близо до събитие и по-малко прилича на общо знание“, смята Лорен Франк, невролог от Калифорнийския университет в Сан Франциско, който не е участвал в изследването.
„Те показват, че мозъкът може би създава някакъв времеви код, за да разграничи различните спомени, които се случват на едно и също място“, споделя Фрея Олафсдотир, невролог от университета Радбуд, която също не е участвала в това изследване.
Шантану Джадхав, невролог в университета Брандис, похвали изследователите: „Това е добро
начало“, казва той. Ученият обаче се надява да види последващ експеримент, който да включва поведенчески тест. Доказването, че животното е забравило или запомнило определени пробни блокове, би било истинското доказателство, че това е механизъм за маркиране.
Изследването обаче оставя един актуален въпрос без отговор: Защо определен натрупан опит се
избира пред друг? Новото изследване предполага как мозъкът маркира определено преживяване, за да го запомни. Но то не може да ни каже как мозъкът решава кое си струва да бъде запомнено.
