Badacze z Cedars-Sinai odkryli, w jaki sposób komórki mózgowe odpowiedzialne za pamięć roboczą – taką, która jest wymagana do zapamiętania numeru telefonu na tyle długo, aby go wybrać – koordynują celowe skupienie i krótkotrwałe przechowywanie informacji.
Badanie szczegółowo opisujące ich odkrycie zostało opublikowane w recenzowanym czasopiśmie Nature.
„Po raz pierwszy zidentyfikowaliśmy grupę neuronów, na które wpływają dwa rodzaje fal mózgowych, które koordynują kontrolę poznawczą i przechowywanie informacji sensorycznych w pamięci roboczej” – powiedział dr Jonathan Daume, doktor habilitowany w Rutishauser Lab na Uniwersytecie Cedars-Sinai i pierwszy autor badania. „Te neurony nie zawierają ani nie przechowują informacji, ale odgrywają kluczową rolę w przechowywaniu wspomnień krótkotrwałych”.
Pamięć robocza, która wymaga od mózgu przechowywania informacji tylko przez kilka sekund, jest krucha i wymaga ciągłego skupienia, powiedział dr Ueli Rutishauser, dyrektor Centrum Nauki i Medycyny Neuralnej w Cedars-Sinai i główny autor badania. Mogą na niego wpływać różne choroby i stany.
„W zaburzeniach takich jak choroba Alzheimera czy zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi często problemem nie jest przechowywanie pamięci, ale raczej zdolność skupienia się na pamięci i jej utrzymania, gdy już się ona uformuje” – powiedział Rutishauser, profesor Neurochirurgia, neurologia i nauki biomedyczne w Cedars-Sinai. „Wierzymy, że zrozumienie aspektu kontrolnego pamięci roboczej będzie miało fundamentalne znaczenie dla opracowania nowych metod leczenia tych i innych schorzeń neurologicznych”.
Aby zbadać działanie pamięci roboczej, badacze zarejestrowali aktywność mózgu 36 hospitalizowanych pacjentów, którym chirurgicznie wszczepiono elektrody w mózgu w ramach procedury diagnozowania padaczki. Zespół rejestrował aktywność poszczególnych komórek mózgowych i fal mózgowych, podczas gdy pacjenci wykonywali zadanie wymagające wykorzystania pamięci roboczej.
Na ekranie komputera pacjentom pokazywano pojedyncze zdjęcie lub serię trzech zdjęć różnych ludzi, zwierząt, przedmiotów lub krajobrazów. Następnie ekran zgasł na niecałe trzy sekundy, co wymagało od pacjentów przypomnienia sobie zdjęć, które właśnie widzieli. Następnie pokazano im kolejne zdjęcie i poproszono o decyzję, czy to to (czy jedno z trzech), które widzieli wcześniej.
Kiedy pacjenci wykonujący zadanie związane z pamięcią roboczą byli w stanie odpowiedzieć szybko i dokładnie, badacze zaobserwowali uruchomienie dwóch grup neuronów: neuronów „kategorii”, które uruchamiają się w odpowiedzi na jedną z kategorii pokazanych na zdjęciach, np. zwierzęta, oraz neuronów „fazowych”. -sprzężenie amplitudy” lub PAC, neurony.
Neurony PAC, nowo zidentyfikowane w tym badaniu, nie przechowują żadnej treści, ale wykorzystują proces zwany sprzężeniem fazowo-amplitudowym, aby zapewnić neuronom tej kategorii skupienie i przechowywanie zdobytej treści. Neurony PAC wyzwalają się w rytm fal theta mózgu, które są związane z koncentracją i kontrolą, a także fal gamma, które są powiązane z przetwarzaniem informacji. Pozwala im to koordynować swoją aktywność z neuronami kategorii, które również emitują w odpowiednim czasie fale gamma mózgu, zwiększając zdolność pacjentów do przywoływania informacji przechowywanych w pamięci roboczej.
„Wyobraźcie sobie, że pacjent widzi zdjęcie psa, neurony jego kategorii zaczynają wysyłać sygnały „pies, pies, pies”, podczas gdy neurony PAC wysyłają sygnał „skup się/zapamiętaj”” – powiedział Rutishauser. „Dzięki sprzężeniu amplitudy fazowej obie grupy neuronów tworzą harmonię, nakładając swoje komunikaty, w wyniku czego powstaje „pamiętaj psa”. To sytuacja, w której całość jest czymś więcej niż sumą jej części, tak jak słuchanie wspólnej gry muzyków w orkiestrze. Dyrygent, podobnie jak neurony PAC, koordynuje działania różnych muzyków, aby działali w harmonii.
Neurony PAC wykonują tę pracę w hipokampie – części mózgu, o której od dawna wiadomo, że jest ważna dla pamięci długotrwałej. Badanie to stanowi pierwsze potwierdzenie, że hipokamp odgrywa również rolę w kontrolowaniu pamięci roboczej, powiedział Rutishauser.
Badanie to przeprowadzono w ramach wieloinstytucjonalnego konsorcjum finansowanego przez inicjatywę National Institutes of Health Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative, czyli inicjatywę BRAIN, pod przewodnictwem Cedars-Sinai. Dane zawarte w tym badaniu zebrano z Cedars-Sinai, Uniwersytetu w Toronto i Szkoły Medycznej Johnsa Hopkinsa, w wyniku czego uzyskano statystycznie istotne badanie, którego pojedyncza instytucja nie byłaby w stanie zgromadzić samodzielnie ze względu na trudność tych eksperymentów.
„Jednym z celów inicjatywy BRAIN jest odkrycie – poprzez zastosowanie innowacyjnych technologii – właściwości ludzkiego mózgu, których zbadanie było dotychczas trudne, jeśli nie niemożliwe” – powiedział dr John Ngai, dyrektor inicjatywy NIH BRAIN. „W tym miejscu, wykorzystując niezwykłe możliwości wspierane przez inicjatywę mającą na celu naświetlenie złożonych procesów u ludzi, Laboratorium Rutishausera rzuca światło na sposób, w jaki niektóre neurony wspierają przechowywanie wspomnień w mózgu – proces, który jest daleki od zrozumienia w przypadku wyniszczających zaburzeń mózgu takich jak choroba Alzheimera i inne demencje”.