Мозг репетирует сам

Учёные выяснили, что мозг способен закреплять двигательные навыки во сне без участия гиппокампа — области, которую долго считали главным координатором консолидации памяти. Исследование на мышах, опубликованное в Nature Neuroscience, показывает: система, отвечающая за привычки и движения, может самостоятельно воспроизводить дневные нейронные последовательности и укреплять их во время сна.

Память не является единым процессом. Декларативная память хранит факты и события, а процедурная — навыки и привычки: например, езду на велосипеде. Ранее считалось, что гиппокамп ночью воспроизводит пространственный и временной контекст пережитого дня, а затем передаёт сигналы другим отделам мозга. Однако прежние работы намекали, что двигательные навыки могут закрепляться независимо.

Команда Emmett Thompson и Lars Rollik из University College London под руководством Marcus Stephenson-Jones проверила эту гипотезу. Мышей обучали последовательно тыкаться носом в пять отверстий, получая за правильную цепочку награду в виде воды. Со временем движения становились стереотипными — формировалась моторная привычка.

Ключевую роль в обучении подтвердил дорсолатеральный стриатум — участок дорсального стриатума, глубоко расположенный в мозге и связанный с координацией движений и обработкой вознаграждения. После отключения этой области мыши не могли запомнить последовательность и двигались хаотично.

Затем исследователи во время сна заблокировали в дорсальном стриатуме рецепторы, необходимые для нейропластичности, то есть способности нервной системы перестраиваться. На следующий день мыши показали результат, будто часть обучения пришлось начинать заново.

Учёные установили электроды высокой плотности и записали активность отдельных нейронов во время задания и последующего сна. Алгоритм машинного обучения обнаружил повторяющиеся схемы: разные группы клеток включались в определённом порядке при переходах между отверстиями, получении награды, уходе за шерстью и других действиях.

Во сне те же последовательности снова возникали — это называют нейронным воспроизведением, или replay. Иногда они шли с обычной скоростью, а иногда ускорялись и укладывались в доли секунды. Мозг чаще воспроизводил эпизоды, связанные с заданием и наградой. Мыши лучше справлялись на следующий день, если последовательность проигрывалась вперёд и включала нейроны, стабильно активные во время тренировки.

Чтобы проверить роль гиппокампа, исследователи полностью отключили его у части животных с помощью двусторонних вирус-индуцированных поражений. Эти мыши освоили пятишаговую последовательность не хуже контрольной группы: скорость и точность были одинаковыми. При этом стриатум продолжал воспроизводить нейронные схемы во сне.

Все основные свойства replay сохранились: последовательности шли вперёд и назад, ускорялись и замедлялись, возникали на разных стадиях сна, а связанные с заданием схемы по-прежнему получали приоритет. Значит, процедурная память может укрепляться автономно, без гиппокампа.

Это не доказывает, что гиппокамп никогда не участвует в моторном обучении. Он может быть важен для задач, где движение тесно связано с навигацией и запоминанием окружающей среды. Кроме того, результаты пока получены только на мышах, поэтому их нужно подтвердить у людей.

Следующий вопрос — что именно запускает самостоятельное воспроизведение в стриатуме. Учёные планируют изучить роль других веществ, включая дофамин, который участвует в обучении на основе вознаграждения. Авторы работы — Emmett J. Thompson, Lars B. Rollik, Benjamin Waked, Georgina Mills, Sthitapranjya Pati, Jasvin Kaur, Ben Geva, Haoyu Li, Rodrigo Carrasco-Davis, Tom George, Clementine Domine, William Dorrell и Marcus Stephenson-Jones.