W ostatnich dziesięcioleciach neurobiolodzy ustalili pogląd, że część doświadczeń każdego dnia jest przekształcana przez mózg w trwałe wspomnienia podczas snu tej samej nocy. Teraz nowe badanie proponuje mechanizm określający, które wspomnienia są oznaczone jako na tyle ważne, że pozostają w mózgu do czasu, aż sen uczyni je trwałymi.
Badania prowadzone pod kierunkiem naukowców z Grossman School of Medicine na Uniwersytecie Nowojorskim zajmują się komórkami mózgowymi zwanymi neuronami, które „odpalają” – czyli powodują wahania równowagi ich ładunków dodatnich i ujemnych – w celu przesyłania sygnałów elektrycznych kodujących wspomnienia. Duże grupy neuronów w obszarze mózgu zwanym hipokampem uruchamiają się razem w rytmicznych cyklach, tworząc w odstępie milisekund sekwencje sygnałów, które mogą kodować złożone informacje.
Nazywane „ostrymi zmarszczkami fal”, te „krzyki” docierające do reszty mózgu reprezentują niemal jednoczesne pobudzenie 15 procent neuronów hipokampa, a ich nazwa wzięła się od kształtu, jaki przyjmują, gdy ich aktywność jest rejestrowana przez elektrody i rejestrowana na wykres.
Podczas gdy poprzednie badania wiązały fale z tworzeniem się pamięci podczas snu, nowe badanie, opublikowane 28 marca w czasopiśmie Science, wykazało, że zdarzenia w ciągu dnia, po których bezpośrednio następuje od 5 do 20 ostrych zmarszczek fal, są częściej odtwarzane podczas snu i w ten sposób utrwalają się w trwałe wspomnienia. Wydarzenia, po których nastąpiły bardzo nieliczne lub żadne ostre fale, nie utworzyły trwałych wspomnień.
„Nasze badanie wykazało, że ostre fale to fizjologiczny mechanizm wykorzystywany przez mózg do «decydowania», co zatrzymać, a co wyrzucić” – powiedział starszy autor badania György Buzsáki, lekarz medycyny, profesor neurologii Biggs na Wydziale Neurologii Neuronauka i fizjologia na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone Health.
Spacer i pauza
Nowe badanie opiera się na znanym schemacie: ssaki, w tym ludzie, doświadczają świata przez kilka chwil, następnie zatrzymują się, potem doświadczają trochę więcej i ponownie robią pauzę. Autorzy badania twierdzą, że gdy zwrócimy na coś uwagę, obliczenia mózgu często przełączają się w „bezczynny” tryb ponownej oceny. Takie chwilowe przerwy zdarzają się przez cały dzień, ale najdłuższe okresy bezczynności zdarzają się podczas snu.
Buzsaki i współpracownicy ustalili wcześniej, że gdy aktywnie badamy informacje zmysłowe lub poruszamy się, nie pojawiają się ostre fale, ale tylko podczas bezczynnych przerw przed lub po. Obecne badanie wykazało, że ostre zmarszczki falowe reprezentują naturalny mechanizm znakowania podczas takich przerw po doświadczeniach na jawie, przy czym oznakowane wzorce neuronowe reaktywują się podczas snu po wykonaniu zadania.
Co ważne, wiadomo, że ostre zmarszczki falowe powstają w wyniku odpalenia „komórek miejsca” hipokampa w określonej kolejności, która koduje każde pomieszczenie, do którego wchodzimy, i każde ramię labiryntu, do którego wchodzi mysz. W przypadku wspomnień, które zostają zapamiętane, te same komórki uruchamiają się z dużą szybkością, gdy śpimy, „odtwarzając zarejestrowane wydarzenie tysiące razy w ciągu nocy”. Proces wzmacnia połączenia między zaangażowanymi komórkami.
W bieżącym badaniu kolejne labirynty prowadzone przez badane myszy były śledzone za pomocą elektrod przez populacje komórek hipokampa, które stale zmieniały się w czasie pomimo rejestrowania bardzo podobnych doświadczeń. To pozwoliło po raz pierwszy ujawnić przebieg labiryntu, podczas którego zmarszczki pojawiały się podczas przerw na jawie, a następnie odtwarzały się podczas snu.
Ostre fale fal były zwykle rejestrowane, gdy mysz zatrzymywała się, aby po każdym przejściu labiryntu delektować się słodkim poczęstunkiem. Jak twierdzą autorzy, spożycie nagrody przygotowało mózg do przejścia z trybu eksploracyjnego na tryb bezczynności, co umożliwiło wystąpienie ostrych fal.
Korzystając z dwustronnych sond krzemowych, zespół badawczy był w stanie zarejestrować jednocześnie do 500 neuronów w hipokampie zwierząt podczas biegania po labiryncie. To z kolei stworzyło wyzwanie, ponieważ dane stają się niezwykle złożone, im więcej neuronów jest niezależnie rejestrowanych. Aby uzyskać intuicyjne zrozumienie danych, wizualizację aktywności neuronów i sformułowanie hipotez, zespołowi udało się zmniejszyć liczbę wymiarów w danych, na przykład przekształcając obraz trójwymiarowy w płaski, bez utraty integralności danych .
„Pracowaliśmy nad wykluczeniem świata zewnętrznego z równania i przyjrzeliśmy się mechanizmom, dzięki którym mózg ssaków w sposób wrodzony i podświadomy oznacza niektóre wspomnienia, aby stały się trwałe” – powiedział pierwszy autor Wannan (Winnie) Yang, doktorant, absolwent Buzsáki’s laboratorium. „Dlaczego taki system wyewoluował, wciąż pozostaje tajemnicą, ale przyszłe badania mogą ujawnić urządzenia lub terapie, które będą w stanie dostosować ostre fale, aby poprawić pamięć, a nawet zmniejszyć przypominanie sobie traumatycznych wydarzeń”.
Wraz z dr. Buzsáki i Yang, autorami badania z Neuroscience Institute na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone Health, byli Roman Huszár i Thomas Hainmueller. Autorem był także Kirill Kiselev z Center for Neural Science na Uniwersytecie Nowojorskim, podobnie jak Chen Sun z Mila, Instytutu Sztucznej Inteligencji w Quebecu w Montrealu. Prace finansowano z grantów Narodowego Instytutu Zdrowia R01MH122391 i U19NS107616.