Мозг репетирует память во сне

Учёные обнаружили у крыс ранее неизвестные цепочки быстрых электрических волн, которые возникают во время REM-сна — фазы сна с быстрыми движениями глаз, обычно связанной со сновидениями. Исследование опубликовано в журнале eLife и показывает: в этот период мозг может воспроизводить воспоминания не так, как во время глубокого сна, а более выборочно и последовательно.

Закрепление памяти — это превращение недавнего опыта в устойчивые долгосрочные воспоминания. В нём участвуют гиппокамп и префронтальная кора. Гиппокамп, расположенный глубоко в мозге и напоминающий по форме морского конька, сначала записывает новые события. Префронтальная кора, находящаяся в передней части мозга, участвует в сложном мышлении и долговременном хранении информации.

Ранее было известно, что во время глубокого NREM-сна гиппокамп и кора обмениваются сигналами с помощью резких быстрых волн — рипплов. Однако роль REM-сна в этом диалоге оставалась неясной. Предыдущие работы показывали, что гиппокампальные рипплы могут задавать ритмы коры и запускать воспроизведение памяти, а быстрые волны префронтальной коры, напротив, способны подавлять активность гиппокампа. Также было известно, что REM-сон меняет возбудимость нейронов гиппокампа.

Команда Justin D. Shin и Shantanu P. Jadhav изучала этот вопрос на 10 взрослых крысах. Животные осваивали W-образный лабиринт, где за правильную навигацию получали награду. Во время обучения и последующего сна исследователи непрерывно записывали активность мозга.

В префронтальную кору и область CA1 гиппокампа хирургически имплантировали тетроды — группы микроэлектродов, способные одновременно фиксировать общие электрические ритмы и работу отдельных нейронов. По соотношению частот мозговых волн учёные определяли, находились ли крысы в NREM- или REM-сне.

Во время NREM-сна в префронтальной коре возникали короткие быстрые всплески, сопровождавшиеся масштабной синхронной активностью нейронов. В REM-сне исследователи обнаружили похожие события и назвали их высокочастотными осцилляциями, или HFO. Но в отличие от одиночных всплесков NREM, REM-HFO обычно складывались в повторяющиеся цепочки. Они возникали примерно каждые 130 миллисекунд — с периодичностью, совпадающей с тета-ритмом, особенно активным во время REM-сна.

Активность нейронов в таких цепочках была организована иначе. Вместо мощного общего залпа, характерного для NREM, фоновая активность префронтальной коры снижалась. На этом «тихом фоне» небольшие группы нейронов включались в разреженной последовательности. Это указывает, что во время REM мозг может воспроизводить воспоминания более точно, постепенно и выборочно.

По словам Jadhav, REM-реактивация была разреженной, задействовала небольшие группы нейронов и продолжалась около секунды. При NREM-сне воспроизведение памяти происходило гораздо более короткими всплесками — примерно по 100 миллисекунд.

Во время REM-HFO усиливалась синхронизация префронтальной коры и гиппокампа в тета-диапазоне. Цепочки также активировали определённую группу гиппокампальных нейронов. Примечательно, что именно эти нейроны сильнее всего подавлялись префронтальными рипплами во время NREM-сна. В течение сна их базовая частота работы постепенно возрастала. Это говорит о том, что NREM и REM могут по очереди перенастраивать возбудимость цепей памяти.

Исследователи создали компьютерную модель, чтобы понять возможный механизм. Они сосредоточились на ацетилхолине — нейромедиаторе, которого много во время REM-сна и почти нет во время NREM. При низком уровне ацетилхолина небольшой сигнал вызывал в модели широкий взрыв активности. При высоком уровне сеть становилась сдержаннее: сигнал распространялся ограниченно и запускал разреженные последовательные импульсы, похожие на реальные REM-HFO.

Однако работа пока не доказывает, что обнаруженные события напрямую улучшают память. Учёные не связали REM-реактивацию с результатами крыс в лабиринте. Кроме того, они не могли точно разделить REM-сон на тоническую и фазическую части, поскольку не записывали движения глаз. Наблюдения продолжались несколько часов, а не полные сутки, поэтому суточные изменения остались за рамками исследования.

Авторы планируют проверить, необходима ли REM-реактивация для закрепления памяти, и выяснить, как именно REM и NREM дополняют друг друга. Отдельное направление — изучение нейромедиаторов, которые формируют столь разные режимы работы мозга. Статья «REM sleep prefrontal high-frequency oscillation chains mediate distinct cortical–hippocampal reactivation patterns compared to NREM sleep» написана Justin D. Shin, Michael Satchell, Paul Miller и Shantanu P. Jadhav.