Ученые из Берлина и Мюнхена открыли, как можно считывать информацию из клеточной кратковременной памяти - по крайней мере, у крыс.
Исследователи под руководством Кристиана Лейбольда из Мюнхенского университета, Ричарда Кемптера из Университета Гумбольдта в Берлине, Дитмара Шмитца, Charité, Universitätsmedizin Berlin и их коллег сообщают о результатах в специализированном журнале «Neural Computing» и «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America».
Когда мозг обрабатывает информацию, нервные клетки посылают электрические сигналы в быстрой последовательности в пространственном и временном порядке. Эта нейронная передача информации происходит в диапазоне нескольких миллисекунд и по-прежнему представляет собой информацию, которая была получена или записана в течение более длительных периодов времени. Используя электрофизиологические эксперименты и теоретическое моделирование, исследователи смогли показать, какие клеточные механизмы могут лежать в основе такого сжатия последовательностей событий.
Synapse «запоминает» события
Так называемая «синаптическая фасилитация» играет решающую роль в кратковременной памяти. Если сигнал передается от одной клетки к другой несколько раз подряд, повышается эффективность синапса, соединения между клетками. Хотя это усиление синапса не является постоянным, оно сохраняется в течение нескольких секунд - синапс «запоминает» события.
«Воспоминания, которые хранятся в синапсе таким образом, должны быть снова прочитаны остальной частью мозга», - объясняет Лейболд. Лейболд и его коллеги исследовали, как это происходит, на примере пространственной навигации крысы.
"Размещение ячеек" помогает с ориентацией
Если крыса знает, как ориентироваться в окружающей среде, у нее есть так называемые «ячейки места» для каждого места. Например, если ячейки места в областях A и B активны, крыса находится на пересечении этих двух областей. Пока крыса движется, клетки места в гиппокампе колеблются вместе. Они посылают сигналы предпочтительно в так называемом «тета-ритме» - подобно тому, как люди хлопают в такт после концерта. Этот ритм служит эталоном для измерения точного времени нейронных разрядов.
Чем дольше крыса находится в определенном месте, тем больше ритм соответствующих клеток места отклоняется от тета-ритма. Таким образом, крыса «знает» не только, где она находится в любое время, но и как долго в какой области она находилась.
Клетки мозга не синхронизированы
Как смогли показать ученые из Центра вычислительной нейробиологии Бернштейна, этот фазовый сдвиг можно объяснить «синаптическим облегчением». Когда крыса проходит через пространственное поле, соответствующая клетка гиппокампа несколько раз получает сигналы из восходящей области мозга.
Эффективность передачи синапса увеличивается с каждым сигналом, а сила сигнала увеличивается. С увеличением силы сигнала клетка гиппокампа запускает свои нервные импульсы немного быстрее, чем раньше, что приводит к сбоям.
Обратный повтор
Когда крыса отдыхает после прогулки или ест, она бессознательно запоминает пройденный ею путь. В такие периоды простоя посещенные места воспроизводятся в обратном порядке. Этот «обратный повтор» также может быть основан на синаптической фасилитации. Через несколько секунд после того, как крыса прошла маршрут от А до В и С, синапсы все еще содержат следы этой «памяти» - синапсы клетки места С наиболее сильны, синапсы клетки места А уже распались до почти нормального уровня.
Пока крыса отдыхает, клетки места стимулируются и раскрывают эту «память». Они передают сигналы в зависимости от силы сигнала. Здесь также мощность сигнала влияет на точное время следующего сигнала.
Острая рябь волны
Этому преобразованию мощности сигнала во временное кодирование способствуют нейронные колебания. Однако в фазах покоя тета-ритм отсутствует, вместо этого возникают быстрые колебания потенциала поля, известные как «рябь острой волны».
Издавна считалось, что острые волны играют важную роль в укреплении воспоминаний. Работа ученых теперь показывает, как воспоминания могут считываться из кратковременной памяти синапсов во время резких волн.