Электрические связи нейронов управляют памятью?
Математическая модель, созданная исследователями и MIT показала, что на процесс формирования памяти большее влияние оказывает не электрическая активность нейронов, а электрические поля, создаваемые скоплениями «общающихся» нейронов. Исследование, опубликованное в Cerebral Cortex, потенциально может иметь важное значение в лечении психических заболеваний.
В области нейронаук, которая занимается изучением памяти, все большие обороты начинает набирать теория, согласно которой хранение и обработка воспоминаний зависит от клеток энграмм. С этой точки зрения предполагается, что память не хранится в какой-то конкретной зоне мозга, а распространяется по множеству областей и нейронных ансамблей. Однако практического подтверждения этой теории пока нет, и не понятно, каким образом мозг формирует энграммные комплексы.
В попытке найти доказательства этой теории выдвигается гипотеза, которая полагает, что энграммы формируются благодаря эфаптической связи между нейронами. Теоретически, скопление нейронов приобретает такое эмерджентное свойство, как синхронизация ритмов. То есть пул нейронов как крупная система приобретает свойство, которое не характерно для ее отдельных единиц. Эта синхронизация ритмов, вероятно, возникает из-за некоей внутренней координации времени нейронных спайков. Доказать эту гипотезу часто пытаются при помощи компьютерного моделирования.
Прибегнув к этому методу, исследователи из Массачусетского технологического института (США) протестировали гипотезу о том, что в формировании энграмм решающую роль играют электрические поля, которые передают информацию от сетей памяти обратно к единичным нейронам.
Исследователи повторно протестировали данные, которые были собраны и использованы в их более раннем исследовании. Тогда авторы разработали биофизическую модель электрических полей, создаваемых за счет электрической активности нейронов. Эти данные представляют собой записи активности нейронов, зафиксированные посредством мультиэлектродных матриц, которые вживлялись в мозг взрослых самцов макак. Этих лабораторных животных обучали выполнению глазодвигательной задачи с пространственной задержкой реакции. Обезьянам требовалось запомнить случайно выбранную цель (под определенным углом) в течение короткой задержки стимула, а затем перевести взгляд в то место, которое они запомнили. Если они выполняли задачу правильно, цель выделялась зеленым цветом, и макаки получали пищевое подкрепление.
В предыдущей работе исследователи показали, что в их модели общие поля, возникающие от активности групп нейронов в определенной зоне мозга, представляют собой более надежные и стабильные репрезентации информации, которые животные использовали для решения поставленной задачи, чем активность отдельных нейронов. Теперь же эти данные проанализировали по-новому, сосредоточившись на двух областях мозга: фронтальных и дополнительных глазодвигательных полях (frontal eye fields, supplementary eye fields). Пока животные выполняли задачу, исследователи записывали потенциалы локального поля, создаваемые множеством нейронов в каждой области. Далее эти данные вводились в математическую модель, которая позволяла авторам рассчитать, может ли изменение полей предсказать изменение индивидуальной активности нейронов.
Действительно, авторы в результате получили, что электрические поля управляют деятельностью нейронных ансамблей. То есть, по словам авторов, сначала активность нейронов создает электрическое поле, а оно, в свою очередь, начинает управлять нейронной активностью. Затем они предположили, что если эфаптическая связь происходит в какой-то области мозга, которая обменивается запоминаемой информацией с другими областями, то эфаптическая связь произойдет и в этих областях. И снова – поля в каждой рассматриваемой области имели сильное причинное влияние на нейронную активность, а не наоборот. Показатели силы влияния полей оставались более стабильными, чем для нейронной активности.
Кроме того, обнаружилось, что передача информации от фронтальной глазодвигательной области к дополнительной осуществляется именно через электрические поля. При этом фронтальная глазодвигательная область лидирует в инициировании движений глаз.
В заключение, авторы работы использовали метод анализа сходства представлений, чтобы определить, действительно ли обе эти области обрабатывают одну и ту же память. Обнаружилось, что именно электрические поля представляют одну и ту же информацию в обоих областях, объединяя их в сеть энграмной памяти.
Исследователи предполагают, что результаты их работы потенциально могут использоваться в терапии, например, психических расстройств, с помощью клинического метода транскраниальной электрической стимуляции (transcranial electric stimulation, TES). Такой подход к воздействию на нейроны способен менять электрические поля мозга. А если электрические поля не только отражают нейронную активность, но и активно формируют ее, то технологии TES можно будет использовать для изменения цепей связи нейронов и направления синаптичекой пластичности.
Автор: Анна Удоратина
«In vivo ephaptic coupling allows memory network formation» by D. A. Pinotsis & E. K. Miller, Cerebral Cortex. Published: 07 July, 2023.