Сон как паром, который собирает в одной коробке все бесполезные воспоминания

Сон помогает соединить воспоминания в когнитивные карты, согласно новому прорыву в нейронауке. Новое исследование нейробиологов из Массачусетского технологического института проливает свет на то, как мозг создает внутренние карты пространства. Их исследование на мышах показывает, что в то время как некоторые нейроны быстро кодируют конкретные места, для формирования целостной ментальной карты окружающей среды требуется более широкий ансамбль нейронов и повторяющиеся опыты — вместе со сном.

Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, подтверждает идею о том, что когнитивные карты создаются в ходе постепенного процесса, в который вовлечены не только специализированные "клетки места" в гиппокампе, но и группа нейронов, которые изначально слабо реагируют на конкретные местоположения. В течение нескольких дней исследования и сна эти слабо настроенные нейроны начинают работать вместе с клетками места, формируя скоординированные паттерны, которые отражают структуру окружения.

Исследователи интересовались давним вопросом нейронауки: как мозг переходит от распознавания отдельных мест к построению полной внутренней карты? С 1970-х годов ученые знают, что определенные нейроны гиппокампа активируются, когда животное находится в конкретном месте. Но карта требует большего, чем просто изолированные точки — ей нужна сеть, которая соединяет их. Психолог Эдвард Толмен впервые предложил идею когнитивных карт в 1948 году, и хотя открытие клеток места подтвердило его теорию, точный процесс, с помощью которого мозг связывает отдельные местоположения в полную карту, оставался слабо понятным.

"Мне интересно работать над этим проектом, потому что то, как память формируется в мозге, является одним из самых фундаментальных вопросов нейронауки," — сказал автор исследования Вэй Гуо, исследователь в Институте изучения и памяти им. Пикора, работающий под руководством профессора Мэттью Уилсона.

Чтобы провести исследование, команда использовала мышей, которые свободно исследовали незнакомые лабиринты в течение нескольких дней. Важно, что животные не получали вознаграждений или наказаний в лабиринтах, что позволило исследователям изучать, как мозг усваивает пространственные макеты без поощрения. Основное внимание уделялось форме пассивного обучения, известному как латентное обучение, при котором знания приобретаются без немедленных поведенческих изменений.

Для отслеживания активности мозга исследователи использовали продвинутую кальциевую визуализацию. Они генетически модифицировали нейроны гиппокампа так, чтобы они производили флуоресцентный белок, сигнализирующий об активности, и имплантировали крошечные линзы и микроскопы в мозги мышей. Эта установка позволила им записывать активность сотен нейронов в гиппокампе, пока мыши исследовали лабиринты или отдыхали в своих клетках.

Используя технику, называемую изучением мандифолда, исследователи создали упрощенные визуальные представления паттернов активности нейронов с течением времени. В первый день в лабиринте каждый нейрон имел свой собственный пространственный паттерн активности, но ансамбль нейронов еще не формировал узнаваемую карту. Однако, к пятому дню общая активность нейронов могла быть организована в многомерную форму — называемую "нейронным манифолдом" — которая напоминала структуру лабиринта. Этот сдвиг показал, что со временем мозг начал представлять всю среду, а не только отдельные точки.

Исследователи выяснили, что эта трансформация особенно зависела от сна. В одной части исследования мыши исследовали лабиринт дважды за один день, с трехчасовым перерывом между. Некоторые мыши могли спать во время перерыва, в то время как другие нежно затащили в бодрствование. Только спящие мыши показали улучшения в том, насколько хорошо их нейронная активность соответствовала структуре лабиринта. Это указывало на то, что сон помог перепроектировать нейронные паттерны гиппокампа в более целостную карту.

Чтобы понять, что менялось в мозге, исследователи сосредоточились на двух типах нейронов. Некоторые нейроны, называемые сильно пространственными клетками, имели ясные поля местоположения — они надежно активировались, когда мышь посещала определенные части лабиринта, даже с первой сессии. Эти клетки оставались стабильными на протяжении нескольких дней и не изменяли свое поведение во время обучения. В отличие от них, слабо пространственные клетки имели менее определенные паттерны активности на ранних этапах, но постепенно увеличивали свою пространственную настройку со временем. Более того, эти слабо настроенные клетки стали более скоординированными с остальной нейронной сетью, особенно во время сна.

Исследователи измерили "умственное поле" каждого нейрона — как его активность связана не с физическим пространством, а с более широкой нейронной сетью. Это помогло им идентифицировать, какие нейроны становились более интегрированными в ансамбль. Они обнаружили, что слабо пространственные нейроны, даже если они никогда не становились сильными клетками места, играли ключевую роль в формировании общей структуры когнитивной карты. Эти клетки развивали корреляции с другими нейронами, способствуя созданию сети, которая могла представлять не только отдельные местоположения, но и взаимосвязи между ними.

Когда исследователи пытались восстановить нейронную карту, используя только сильные клетки места, получившиеся паттерны показали небольшие изменения со временем. Только когда они включили слабо пространственные нейроны, возникла полная структура карты. Это подразумевает, что, хотя клетки места предоставляют строительные блоки, именно тонкие и часто упускаемые из виду изменения в менее специализированных нейронах помогают собрать полное ментальное изображение.

Исследование указывает на более широкую роль слабо настроенных нейронов в обучении. Вместо того чтобы быть шумом или нерелевантными, эти клетки помогают мозгу строить гибкие, взаимосвязанные представления. Они, похоже, реагируют не только на места, но и на комбинации активности в сети. Со временем их активность становится более синхронизированной с остальным ансамблем, помогая сшивать карту окружающей среды.

"Я был удивлен, что субсет ранее упускаемых из виду нейронов, которые имели слабую активность, оказался ключевым для формирования памяти," — сказал Гуо из PsyPost.

Сон, похоже, усиливает этот процесс. Во время отдыха после исследования лабиринта паттерны нейронной активности напоминали те, которые наблюдались во время навигации, явление, известное как повторение. Это повторение, вероятно, помогает мозгу укрепить связи между различными местами. Исследователи обнаружили, что после сна нейронные состояния во время отдыха были более похожи на те, что наблюдались во время прохождения лабиринта, предполагая, что мозг использовал сон для закрепления и совершенствования карты.

Эта работа поддерживает идею о том, что формирование памяти не ограничивается быстрыми и дискретными событиями. Это часто включает более медленные, распределенные изменения, которые зависят от опыта и сна. Результаты также подчеркивают, что "сон очень важен для преобразования вашего опыта в память," — добавил Гуо.

Как и в любом исследовании, у работы есть некоторые ограничения. Исследователи полагались на кальциевую визуализацию, которая обеспечивает более медленные и менее точные данные, чем прямые электрические записи. Их записи также ограничивались одной частью гиппокампа и не включали другие области мозга, которые могут способствовать пространственной памяти.

Смотрев в будущее, Гуо планирует "дальше исследовать локальную цепь в гиппокампе, а также их взаимодействие с другими областями мозга во время формирования памяти."

Статья "Латентное обучение стимулирует сон-зависимую пластичность в отдельных подгруппах CA1" была написана Вэй Гуо, Цзие Цзянь Чжэн, Джонатаном П. Ньманом и Мэттью А. Уилсоном.