W ostatnich dziesięcioleciach neurobiolodzy ustalili pogląd, że część doświadczeń każdego dnia jest przekształcana przez mózg w trwałe wspomnienia podczas snu tej samej nocy. Teraz nowe badanie proponuje mechanizm określający, które wspomnienia są oznaczone jako na tyle ważne, że pozostają w mózgu do czasu, aż sen uczyni je trwałymi.

Nowe badanie, prowadzone pod kierunkiem naukowców z Grossman School of Medicine na Uniwersytecie Nowojorskim, skupia się na komórkach mózgowych zwanych neuronami, które „odpalają” – powodują wahania równowagi ich ładunków dodatnich i ujemnych – w celu przesyłania sygnałów elektrycznych kodujących wspomnienia. Duże grupy neuronów w obszarze mózgu zwanym hipokampem uruchamiają się razem w rytmicznych cyklach, tworząc w odstępie milisekund sekwencje sygnałów, które mogą kodować złożone informacje.

Nazywane „ostrymi zmarszczkami fal”, te „krzyki” docierające do reszty mózgu reprezentują niemal jednoczesne pobudzenie 15 procent neuronów hipokampa, a ich nazwa wzięła się od kształtu, jaki przyjmują, gdy ich aktywność jest rejestrowana przez elektrody i rejestrowana na wykres.

Chociaż wcześniejsze badania powiązały fale z tworzeniem się pamięci podczas snu, nowe badanie, opublikowane w Internecie 28 marca w czasopiśmie Naukaodkryli, że zdarzenia dzienne, po których bezpośrednio następuje od 5 do 20 ostrych fal, są częściej odtwarzane podczas snu i w ten sposób utrwalane w trwałych wspomnieniach. Wydarzenia, po których nastąpiły bardzo nieliczne lub żadne ostre fale, nie utworzyły trwałych wspomnień.

Nasze badanie wykazało, że ostre fale to fizjologiczny mechanizm wykorzystywany przez mózg do „decydowania”, co zachować, a co wyrzucić”.

György Buzsáki, lekarz medycyny, starszy autor badania, profesor neurologii Biggs na Wydziale Neuronauki i Fizjologii Uniwersytetu Nowojorskiego w Langone Health

Idź i zatrzymaj się

Nowe badanie opiera się na znanym schemacie: ludzie i inne ssaki doświadczają świata przez kilka chwil, następnie zatrzymują się, potem doświadczają trochę więcej i ponownie robią pauzę. Autorzy badania twierdzą, że gdy zwrócimy na coś uwagę, obliczenia mózgu często przełączają się w „bezczynny” tryb ponownej oceny. Takie chwilowe przerwy zdarzają się przez cały dzień, ale najdłuższe okresy bezczynności zdarzają się podczas snu.

Dr Buzsáki i współpracownicy ustalili wcześniej, że gdy aktywnie badamy informacje zmysłowe lub poruszamy się, nie pojawiają się ostre fale, ale tylko podczas bezczynnych przerw przed lub po. Obecne badanie wykazało, że ostre zmarszczki falowe reprezentują naturalny mechanizm znakowania podczas takich przerw po doświadczeniach na jawie, przy czym oznakowane wzorce neuronowe reaktywują się podczas snu po wykonaniu zadania.

Co ważne, wiadomo, że ostre fale powstają w wyniku odpalenia „komórek miejsca” hipokampa w określonej kolejności, która koduje na przykład każde pomieszczenie, do którego wchodzimy, i każdą część labiryntu, do której wchodzi mysz. W przypadku wspomnień, które zapadają w pamięć, te same komórki uruchamiają się z dużą szybkością, gdy śpimy, „odtwarzając zarejestrowane wydarzenie tysiące razy w ciągu nocy”, jak to ujęli autorzy badania. Proces wzmacnia połączenia między zaangażowanymi komórkami.

W bieżącym badaniu kolejne labirynty prowadzone przez badane myszy były śledzone za pomocą elektrod przez populacje komórek hipokampa, które stale zmieniały się w czasie, pomimo odnotowania bardzo podobnych doświadczeń. To pozwoliło po raz pierwszy ujawnić przebieg labiryntu, podczas którego zmarszczki pojawiały się podczas przerw w przebudzeniu, a następnie odtwarzały się podczas snu.

Ostre fale fal były zwykle rejestrowane, gdy mysz zatrzymywała się, aby po każdym przejściu labiryntu delektować się słodkim poczęstunkiem. Zużycie nagrody, twierdzą autorzy, przygotowało mózg do przejścia z trybu eksploracyjnego na tryb jałowy, co mogło spowodować wystąpienie ostrych fal.

Korzystając z dwustronnych sond krzemowych, zespół badawczy był w stanie zarejestrować jednocześnie do 500 neuronów w hipokampach zwierząt podczas biegania po labiryncie. To z kolei stworzyło wyzwanie, ponieważ dane stają się niezwykle złożone, im więcej neuronów jest niezależnie rejestrowanych. Aby uzyskać intuicyjne zrozumienie danych, wizualizację aktywności neuronów i sformułowanie hipotez, zespołowi udało się zmniejszyć liczbę wymiarów w danych, co w pewnym sensie przypomina konwersję modelu 3D na płaski, bez utraty integralności danych.

„Pracowaliśmy nad wykluczeniem świata zewnętrznego z równania i przyjrzeliśmy się mechanizmom, dzięki którym mózg ssaków w sposób wrodzony i podświadomy oznacza niektóre wspomnienia, aby stały się trwałe” – powiedział pierwszy autor Wannan (Winnie) Yang, doktorant, doktorant na Uniwersytecie Laboratorium Buzsáki. „Dlaczego taki system wyewoluował, wciąż pozostaje tajemnicą, ale przyszłe badania mogą ujawnić urządzenia lub terapie, które będą w stanie dostosować ostre fale, aby poprawić pamięć, a nawet zmniejszyć przypominanie sobie traumatycznych wydarzeń”.

Autorami badania z Instytutu Neuronauki Uniwersytetu Nowojorskiego w Langone byli Roman Huszár i Thomas Hainmueller, obok dr Buzsákiego i doktora Yanga. Kirill Kiselev z Centrum Nauk Neuralnych Uniwersytetu Nowojorskiego był także autorem, podobnie jak Chen Sun z Mila, Instytutu Sztucznej Inteligencji w Quebecu w Montrealu. Prace finansowano z grantów Narodowego Instytutu Zdrowia R01MH122391 i U19NS107616.