Мозг энергоэффективно создает воспоминания и распределяет их даже во время сна

Исследователи UCLA Health обнаружили механизм, который формирует воспоминания, снижая интенсивность метаболических процессов, даже во время сна, — спонтанная устойчивая инактивность. Она возникает в той части мозга, которая имеет решающее значение для обучения и памяти и где и берет свое начало болезнь Альцгеймера. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Скорее всего, вам знакомо то чувство, когда вы идете на кухню, но, придя туда, забываете, зачем шли. Это ваша рабочая память дает сбой. Рабочая память — это способность запоминать какую-то информацию на короткий промежуток времени, пока вы занимаетесь другими делами. Мы используем ее практически постоянно. У пациентов с болезнью Альцгеймера и деменцией наблюдается дефицит рабочей памяти, а также легкие когнитивные расстройства. Поэтому особенно важно понять механизмы, с помощью которых огромные сети нейронов в мозге обеспечивают работу памяти.

Во время выполнения задач на запоминание внешние слои мозга, известные как неокортекс, посылают сенсорную информацию в более глубокие области мозга, включая центральную область, называемую энторинальной корой, которая имеет решающее значение для формирования воспоминаний.

Нейроны в энторинальной коре демонстрируют сложный набор реакций, которые долгое время оставались загадкой для ученых, а их открытие было отмечено Нобелевской премией по медицине в 2014 году. Однако механизмы, управляющие этим процессом, не были изучены. В энторинальной коре развивается болезнь Альцгеймера.

«Поэтому очень важно понять, какие процессы происходят в кортико-энторинальной сети, когда неокортекс обращается к энторинальной коре, которая превращает его в рабочую память. Это могло бы обеспечить раннюю диагностику болезни Альцгеймера и связанной с ней деменции, а также легкого когнитивного расстройства», — говорит автор работы Майанк Мехта, нейрофизик, руководитель Центра нейрофизики имени В. М. Кека и Центра физики жизни Калифорнийского университета. Чтобы решить эту проблему, Мехта и его соавторы разработали новый подход — «математический микроскоп».

В физике, начиная с Кеплера и заканчивая Ньютоном и Эйнштейном, широко используются математические модели. С их помощью мы смогли увидеть удивительные вещи, например механизм работы субатомных частиц и изнанку черной дыры. Такие модели используются и в науках о мозге, но их результаты не воспринимаются так серьезно, как в физике. Причина в том, что в физике предсказания математических теорий проверяются количественно, а не только качественно.

В биологии принято считать, что такие количественно точные экспериментальные проверки математических теорий невыполнимы, поскольку мозг намного сложнее физического мира. Математические теории в физике очень просты, в них мало неизвестных, и, следовательно, их можно проверить экспериментально. Мозг же состоит из миллиардов нейронов и триллионов связей, что представляет из себя математический кошмар, не говоря уже о высокоточном микроскопе.

«Чтобы решить эту, казалось бы, невыполнимую задачу — разработать простую теорию, способную с высокой точностью объяснить экспериментальные данные о динамике памяти in vivo, мы предположили, что кортико-энторинальный обмен и работа памяти будут происходить даже тогда, когда испытуемые спят или находятся под наркозом», — говорит доктор Кришна Чоудхари, ведущий автор исследования.

Исследователи из Калифорнийского университета сделали еще одно важное предположение: динамика всей коры головного мозга и энторинальной коры во время сна или анестезии обусловлена всего двумя нейронами. Это свело проблему взаимодействия миллиардов нейронов только к двум переменным — силе входного сигнала от неокортекса к энторинальной коре и силе рекуррентных связей внутри энторинальной коры. Несмотря на то что это делает задачу математически решаемой, возникает очевидный вопрос — а так ли это?

«Если мы проверим нашу теорию количественно на данных в естественных условиях, то это будут просто интересные математические игры, а не прочное понимание механизмов формирования памяти», — говорит Мехта. Поэтому доктор Томас Хан, соавтор работы, профессор Базельского университета и клинический психолог, провел сложные эксперименты.

Хан и доктор Свен Берберих, также один из соавторов, измеряли мембранный потенциал идентифицированных нейронов из энторинальной коры in vivo, используя метод цельноклеточного патч-клампа, а затем использовали анатомические методы для идентификации нейрона. Одновременно они измерили активность теменной коры, части неокортекса, которая посылает входные сигналы в энторинальную кору.

«Математическая теория и сложные данные in vivo — это, конечно, здорово, но как перенести эту простую теорию на сложные нейронные данные?» — говорит Мехта. «Потребовался длительный период разработки, чтобы создать „математический микроскоп“, способный напрямую показать внутреннюю работу нейронов в процессе формирования памяти, — сказал Чоудхари. — Насколько нам известно, раньше это никому не удавалось».

Авторы заметили, что сигналы из неокортекса, подобно океанской волне, сначала формирующейся, а затем разбивающейся о берег, колеблются между включенным и выключенным состояниями в промежутках времени, пока человек или животное спит. При этом энторинальная кора ведет себя как пловец в воде, который может подниматься, когда образуется волна, и опускаться, когда она отступает. Но, используя это простое соответствие, модель затем обрела собственную жизнь и обнаружила новый тип состояния памяти, известный как спонтанная устойчивая инактивность, говорит Мехта.

«Как будто приходит волна, а энторинальная кора говорит: „Здесь нет волны!

Я помню, что волн не было, поэтому я собираюсь игнорировать эту текущую волну и не реагировать на нее вообще“. Это и есть устойчивая инактивность, — говорит Мехта. — Или же постоянная активность возникает, когда волна в коре исчезает, но энторинальные нейроны помнят, что совсем недавно была волна, и продолжают двигаться вперед». Хотя многие теории рабочей памяти указывали на наличие постоянной активности, которую обнаружили авторы, постоянная инактивность оказалась тем, что предсказывала модель, и она никогда не встречалась ранее.

«Самое замечательное в постоянном бездействии то, что оно практически не требует энергии, в отличие от постоянной активности, на которую уходит много ресурсов, — говорит Мехта. — А еще лучше то, что сочетание постоянной активности и бездействия более чем в два раза увеличивает объем памяти при сокращении затрат метаболической энергии в два раза».

«Математический микроскоп» сделал дюжину предположений и о многих других областях мозга. «К нашему удивлению, „математический микроскоп“ каждый раз выдавал верный результат, — продолжает Мехта. — Такое почти идеальное совпадение математических расчетов и экспериментов является беспрецедентным в нейронауке». Ученые продолжают эту работу, чтобы понять, как формируется сложная рабочая память и что происходит в энторинальной коре при болезни Альцгеймера, деменции и других расстройствах памяти.

Другое исследование показало, что употребление пищи с высоким содержанием жиров и сахара может привести к стойким нарушениям памяти у крыс, которых кормили этой пищей с раннего возраста. Вероятно, это связано с тем, что диеты с высоким содержанием простых сахаров и насыщенных жиров разрушают ацетилхолин — ключевой нейромедиатор в мозге животных, участвующий в памяти.