Крысы воспоминают, как люди: нейрофидбек в действии!

Учёные открывают секреты памяти с помощью нейрофидбека у крыс
Новое исследование, опубликованное в журнале Neuron, показало, что крысы, как и люди, могут намеренно вспоминать конкретные воспоминания без внешних подсказок или необходимости действовать на основе этих воспоминаний. Исследователи разработали систему нейрофидбека, которая обучала крыс «прыгать» в мыслях к запомненным местам в лабиринте, обнаружив, что извлечение памяти можно изучить как внутренний процесс мозга, отдельный от сигналов или действий. Это открытие позволяет учёным исследовать, как мозг вспоминает информацию, не полагаясь на физическое движение или сенсорные триггеры. Люди часто вспоминают людей, места или события спонтанно и без необходимости делать что-либо в ответ. Например, мы можем вспомнить отпуск или выбрать место для ужина на основе прошлых впечатлений. Такие извлечения памяти происходят без конкретных подсказок или заметных действий.
В отличие от этого, исследования памяти у животных обычно полагаются на внешние подсказки и физическое поведение, чтобы оценить, было ли вспомнено воспоминание. Например, крыс могут тестировать на способность найти награду в лабиринте или отреагировать на ранее усвоенный сигнал. Проблема этих методов в том, что становится сложно отделить само извлечение памяти от сенсорной информации, принятия решений или связанного поведения.
«Мы все знаем, что воспоминания можно извлекать, не вызывая непосредственно действия, как когда мы вспоминаем о прошлом. Тем не менее, практически все исследования у животных оценивают извлечение памяти на основе того, вызывает ли это действие», — рассказал автор исследования Лорен Франк, профессор Университета Калифорнии в Сан-Франциско и исследователь Института медицины Говарда Хьюза.
«Аналогично, большинство исследований о памяти используют конкретные подсказки для вызова воспоминаний, но мы знаем, что иногда воспоминания просто всплывают без четкой подсказки. В результате у нас не было способа напрямую исследовать воспоминания отдельно от действий, которые они вызывают, или подсказок, которые их приводят. Наша первая цель заключалась в том, чтобы узнать, могут ли животные спонтанно извлекать конкретные воспоминания».
Исследовательская группа сосредоточилась на гиппокампе, области мозга, известной своим хранением пространственных воспоминаний, и особенно на «клетках места», нейронах, которые активируются, когда животное находится в конкретном месте или думает о нём. Эти клетки не только отражают текущее местоположение животного, но также могут отображать места, где оно побывало в прошлом.
Исследователи разработали интерфейс «мозг-машина», который использовал записи в реальном времени с нейронов гиппокампа крыс. Шести крысам имплантировали устройства, которые могли обнаруживать и интерпретировать активность этих клеток места. Во время обучения крысы исследовали Y-образный лабиринт с наградами в конце двух его рукавов. Их мозговая активность записывалась, чтобы создать карту, связывающую нейронные паттерны с конкретными местами.
На более поздней стадии огни на рукавах лабиринта были выключены, и крысы оставались у центрального порта с наградой. В этот момент система предоставляла награду только тогда, когда активность мозга крысы указывала, что она мысленно представляет удаленное целевое местоположение — один из рукавов лабиринта, даже если физически она находилась далеко от него.
Важно, что крысы не могли видеть целевое местоположение откуда они находились. Им также не давали никаких подсказок, чтобы напомнить об этом. Вместо этого им приходилось создавать представление этого места, полагаясь только на внутреннюю память. Когда система определяла, что активность их гиппокампа соответствовала паттерну, связанному с целевым местоположением, звучал тон, и если крыса быстро реагировала, она получала награду. В течение нескольких сессий крысы научились надежно генерировать эти отдаленные представления памяти, что доказывало, что они могли намеренно вспоминать конкретные места в своих умах.
В большинстве случаев активность мозга крыс пропускала прямо от их текущего местоположения к цели, а не проходила через промежуточные точки пространства. Это похоже на то, как люди могут мысленно «телепортироваться» к воспоминанию, не переживая каждый момент между ними. Нейронная активность была специфичной: она обычно отражала только место цели, а не путь к нему. Более того, крысы могли переключаться между разными целевыми местоположениями, когда исследователи изменяли требуемую память для получения награды, демонстрируя, что животные имели гибкий контроль над тем, что они запоминали.
Фрэнк и его коллеги также обнаружили, что эти события вспоминания памяти были связаны с группами нейронов, работающими вместе. Исследователи идентифицировали различные «клеточные ансамбли», которые становились активными, когда крыса генерировала удалённую память. Эти согласованные паттерны выстрелов отражали активность, замеченную, когда крыса ранее физически посещала это место. Даже когда крысы не двигались или не получали награду, эти связанные с памятью ансамбли все еще были активными, что свидетельствует о спонтанном и внутреннем процессе вспоминания.
Интересно, что большинство из этих отдаленных событий памяти происходили, когда крысы оставались неподвижными, а не во время известного состояния мозга, называемого резким волновым рипплом, который часто связывается с консолидацией памяти. Вместо этого они происходили в более спокойные периоды без сильных внешних сигналов мозга. Это открытие предполагает, что извлечение памяти может работать через механизмы мозга, которые отличаются от тех, которые обычно ассоциируются с хранением или консолидацией воспоминаний.
В некоторых случаях роли воспоминающихся образов возникали, когда крысы двигались, и в этих случаях активность совпадала с конкретным ритмом в мозге, называемым тета-ритмом, который связывается с планированием и принятием решений, основанных на памяти.
«Мы ожидали увидеть, что эти события происходили во время конкретного паттерна активности гиппокампа, называемого резким волновым рипплом (SWR), в котором мы и другие гипотезировали, что происходило извлечение памяти», — сказал Франк. «Это не так, и наши результаты предполагают, что хотя реактивация прошлого опыта может происходить во время SWR, это не те моменты, когда происходит намеренное извлечение памяти у наших животных».
Обучая животных извлекать воспоминания без внешних сигналов или видимых подсказок, исследование предлагает мощный новый подход к изучению того, как мозг обращается к прошлым переживаниям. В отличие от предыдущих исследований, где память можно было изучать лишь косвенно через поведение или извлечение на основе подсказок, этот метод позволяет исследователям наблюдать за извлечением памяти как отдельным и намеренным процессом мозга.
Один из самых важных выводов этой работы заключается в том, что она создает модель для понимания памяти так, как она ближе к человеческому мышлению. Она показывает, что животные могут вспоминать прошлые переживания на основе внутренней мотивации, а не только сенсорного восприятия или привычек. Это открывает новые двери для изучения того, как работает память в мозге, как воспоминания используются для принятия решений и какие проблемы возникают в расстройствах, связанных с нарушением памяти.
«Главный результат в том, что наши крысы, как и люди, могут намеренно активировать представления мест, которые они посетили (например, воспоминания), что означает, что мы можем изучать, как мозг извлекает воспоминания и как они могут использоваться для управления решениями, как это происходит, например, когда мы раздумываем над тем, где поужинать на основе прошлых впечатлений», — объяснил Франк.
Тем не менее, у исследования есть некоторые ограничения. Выводы основаны на небольшом количестве крыс и специфическом типе пространственной памяти. Неясно, возникнут ли аналогичные паттерны для других типов памяти или в других областях мозга. Кроме того, хотя исследователи могли предположить, что крысы вспоминают конкретное местоположение, невозможно полностью понять субъективный опыт животного. Будущие исследования, вероятно, будут изучать, как эти выводы соотносятся с другими формами памяти, включая те, которые включают эмоции, время или сложные ассоциации.
Выявив нейронные сигнатуры внутреннего извлечения памяти, исследователи надеются в конечном итоге понять, как мозг поддерживает воображение, планирование и принятие решений — все из которых зависят от способности извлекать прошлые переживания.
«Наша долгосрочная цель заключается в том, чтобы понять, как мозг может создавать и использовать воспоминания», — сказал Франк. «В более широком смысле, мы хотим понять, как мозг может мыслить, где внутренне генерируемые паттерны, обычно основанные на прошлом опыте (например, воспоминания), используются для понимания мира и принятия решений. Изолировав паттерны активности мозга, поддерживающие намеренное извлечение памяти, мы сделали еще один шаг к этой цели».
Исследование «Закрытая модуляция удаленных гиппокампальных представлений с помощью нейрофидбека» было написано Майклом Е. Култером, Анной К. Джиллеспи, Джошуа Чу, Эриком Л. Деновеллисом, Тревором Тхаи К. Нгуеном, Дэниелом Ф. Лю, Кэтрин Вадвани, Байбхавом Шармой, Кевином Ваном, Синьи Дэнг, Ури Т. Иденом, Кейлебом Кемере и Лореном М. Франком.