W mózgu w stanie spoczynku neurony ćwiczą przyszłe doświadczenia

W mózgu w stanie spoczynku neurony ćwiczą przyszłe doświadczenia

Niektóre sny mogą faktycznie przepowiadać przyszłość. Nowe badania wykazały, że podczas snu niektóre neurony nie tylko odtwarzają niedawną przeszłość, ale także przewidują przyszłe doświadczenia.

Odkrycie jest jednym z szeregu spostrzeżeń, jakie dostarczyło badanie dotyczące snu i uczenia się opublikowane w czasopiśmie Nature przez zespół naukowców z Rice University i University of Michigan. Badanie oferuje bezprecedensowy obraz tego, jak poszczególne neurony w hipokampie szczurów stabilizują i dostosowują reprezentacje przestrzenne podczas okresów odpoczynku po pierwszym przejściu zwierząt przez labirynt.

„Niektóre neurony reagują na określone bodźce” – powiedział Kamran Diba, profesor nadzwyczajny anestezjologii w Michigan i współautor badania. „Neurony w korze wzrokowej pobudzają się, gdy otrzymują odpowiedni bodziec wzrokowy. Neurony, które badamy, wykazują preferencje co do miejsca”.

Razem ze współpracownikami z Neural Circuits and Memory Lab w stanie Michigan, kierowanym przez Dibę, neurobiolog z Rice, Caleb Kemere, bada proces, dzięki któremu te wyspecjalizowane neurony tworzą reprezentację świata po nowym doświadczeniu. W szczególności naukowcy śledzili fale ostre – wzór aktywacji neuronów, o którym wiadomo, że odgrywa rolę w utrwalaniu nowych wspomnień, a ostatnio wykazano także, że oznacza, które części nowego doświadczenia mają być przechowywane jako wspomnienia.

„Po raz pierwszy w tym artykule zaobserwowaliśmy, jak te pojedyncze neurony stabilizują reprezentacje przestrzenne w okresach odpoczynku” – powiedział Kemere, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz bioinżynierii w Rice.

Sen ma kluczowe znaczenie dla pamięci i uczenia się — nauka określiła ilościowo tę odwieczną intuicję, mierząc wydajność testów pamięci po drzemce w porównaniu z okresem przebudzenia lub nawet braku snu.

Kilka dekad temu naukowcy odkryli również, że neurony w mózgach śpiących zwierząt, którym pozwolono eksplorować nowe otoczenie tuż przed spoczynkiem, uruchamiały się w sposób odtwarzający trajektorie zwierząt podczas eksploracji. Odkrycie to pokrywa się z wiedzą, że sen pomaga nowym doświadczeniom krystalizować się w stabilne wspomnienia, co sugeruje, że reprezentacje przestrzenne wielu wyspecjalizowanych neuronów w hipokampie są stabilne podczas snu. Naukowcy chcieli jednak sprawdzić, czy w tej historii kryje się coś więcej.

„Wyobrażaliśmy sobie, że niektóre neurony mogą zmienić swoje reprezentacje – odzwierciedlając doświadczenie, jakie wszyscy przeżyliśmy, gdy budziliśmy się z nowym zrozumieniem problemu” – powiedział Kemere. „Jednak wykazanie tego wymagało śledzenia, w jaki sposób poszczególne neurony osiągają dostrojenie przestrzenne, czyli proces, w wyniku którego mózg uczy się poruszać nową trasą lub środowiskiem”.

Naukowcy wytrenowali szczury, aby biegały tam i z powrotem po wzniesionym torze z płynną nagrodą na obu końcach i zaobserwowali, jak poszczególne neurony w hipokampie zwierząt „zwiększają” w tym procesie. Obliczając średnią częstotliwość impulsów podczas wielu okrążeń w tę i z powrotem, badacze byli w stanie oszacować pole miejsca neuronów – czyli obszar w środowisku, o który dany neuron „troszczył się” najbardziej.

„Kluczowym punktem jest to, że pola lokalizacji są szacowane na podstawie zachowania zwierzęcia” – powiedział Kemere, podkreślając wyzwanie, jakim jest ocena tego, co dzieje się z polami lokalizacji w okresach odpoczynku, kiedy zwierzę fizycznie nie porusza się przez labirynt.

„Długo zastanawiałem się, w jaki sposób możemy ocenić preferencje neuronów poza labiryntem, na przykład podczas snu” – powiedziała Diba. „Sprostaliśmy temu wyzwaniu, porównując aktywność każdego pojedynczego neuronu z aktywnością wszystkich pozostałych neuronów”.

To była kluczowa innowacja badania: naukowcy opracowali statystyczne podejście do uczenia maszynowego, które wykorzystało inne zbadane neurony do oszacowania miejsca, o jakim marzy zwierzę. Następnie wykorzystali te wymarzone pozycje do oszacowania procesu dostrajania przestrzennego dla każdego neuronu w swoich zbiorach danych.

„Możliwość śledzenia preferencji neuronów nawet bez bodźca była dla nas ważnym przełomem” – powiedział Diba.

Zarówno Diba, jak i Kemere pochwalili Kourosha Maboudiego, badacza ze stopniem doktora w Michigan i głównego autora badania, za jego rolę w rozwoju podejścia do strojenia wyuczonego.

Metoda potwierdziła, że ​​reprezentacje przestrzenne powstające podczas doświadczenia nowego środowiska są dla większości neuronów stabilne przez kilka godzin snu po doświadczeniu. Ale jak przewidywali badacze, w tej historii było coś więcej.

„To, co najbardziej podobało mi się w tych badaniach i powód, dla którego byłem nimi tak podekscytowany, to odkrycie, że niekoniecznie jest tak, że podczas snu jedyną rzeczą, jaką robią te neurony, jest stabilizowanie pamięci o doświadczeniu” – powiedział Kemere . „Okazuje się, że niektóre neurony zajmują się czymś innym.

„Widzimy, że inne zmiany zachodzą podczas snu, a kiedy ponownie umieszczamy zwierzęta w środowisku, możemy potwierdzić, że zmiany te naprawdę odzwierciedlają wiedzę, której zwierzęta nauczyły się podczas snu. To tak, jakby drugie narażenie do przestrzeni faktycznie dzieje się, gdy zwierzę śpi.”

Jest to o tyle istotne, że stanowi bezpośrednią obserwację neuroplastyczności zachodzącej podczas snu. Kemere podkreślił, że prawie wszystkie badania nad plastycznością, które badają mechanizmy umożliwiające neuronom przebudowywanie połączeń i tworzenie nowych reprezentacji, skupiają się na tym, co dzieje się w okresach czuwania, gdy prezentowane są bodźce, a nie podczas snu, gdy odpowiednich bodźców nie ma.

„Wygląda na to, że plastyczność lub przebudowa mózgu wymaga naprawdę krótkich ram czasowych” – stwierdziła Diba, wskazując na fascynujący związek między czasem trwania rzeczywistego doświadczenia, „które może trwać sekundy, minuty, ale także godziny lub dni” a rzeczywiste wspomnienia, „które są super skompresowane”.

„Jeśli coś pamiętasz, wspomnienie – dzieje się to natychmiast” – stwierdziła Diba, odnosząc się do słynnego fragmentu literackiego francuskiego pisarza modernistycznego Marcela Prousta, w którym wspomnienie z dzieciństwa w mgnieniu oka odkrywa cały utracony świat przeszłych doświadczeń.

Badanie jest przykładem postępu w neurobiologii, który nastąpił w ciągu ostatnich kilku dekad dzięki postępowi technologicznemu w projektowaniu stabilnych sond neuronowych o wysokiej rozdzielczości, a także mocy obliczeniowej opartej na uczeniu maszynowym.

W świetle tych postępów Kemere stwierdziła, że ​​nauka o mózgu może poczynić znaczne postępy w przyszłości, wyrażając jednocześnie zaniepokojenie wpływem niedawnych cięć budżetowych na dalsze badania.

„Jest całkiem możliwe, że gdybyśmy rozpoczęli te prace dzisiaj, nie bylibyśmy w stanie przeprowadzić tych eksperymentów i uzyskać takich wyników” – powiedział Kemere. „Zdecydowanie jesteśmy wdzięczni, że pojawiła się taka szansa”.

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]
science