Нейробиология поиска потерянных ключей: как мозг отслеживает похожие, но разные воспоминания

Вы когда-нибудь ломали голову в понедельник утром, чтобы вспомнить, куда вы кладете ключи от машины? Когда вы найдете эти ключи, вы можете поблагодарить гиппокамп, область мозга, отвечающую за хранение и извлечение воспоминаний о различных средах, например о той комнате, где ваши ключи были спрятаны в необычном месте.

Теперь ученые из Института биологических исследований Солка помогли объяснить, как мозг отслеживает невероятно богатую и сложную среду, в которой люди перемещаются ежедневно. Они обнаружили, как зубчатая извилина, подобласть гиппокампа, помогает разделять воспоминания об аналогичных событиях и средах, о чем они сообщили 20 марта в eLife. Результаты, которые проясняют, как мозг хранит и различает воспоминания, также могут помочь определить, как нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, лишают людей этих способностей.

"Каждый день мы должны помнить тонкие различия между тем, как обстоят дела сегодня, и тем, как они были вчера – от того места, где мы припарковали машину, до места, где мы оставили свой мобильный телефон," говорит Фред Х. Гейдж, старший автор статьи, и председатель Ви и Джона Адлера по исследованиям возрастных нейродегенеративных заболеваний в Salk. "Мы выяснили, как мозг делает эти различия, сохраняя отдельные «записи» каждой среды в зубчатой ​​извилине."

Процесс преобразования сложных воспоминаний в представления, которые легче перепутать, известен как разделение паттернов. Вычислительные модели функции мозга предполагают, что зубчатая извилина помогает нам выполнять разделение паттернов воспоминаний, активируя разные группы нейронов, когда животное находится в разных средах.

Однако предыдущие лабораторные исследования показали, что на самом деле одни и те же популяции нейронов в зубчатой ​​извилине активны в разных средах, и что способ, которым клетки распознают новое окружение, заключался в изменении скорости, с которой они посылали электрические импульсы. Это несоответствие между теоретическими предсказаниями и лабораторными данными озадачило нейробиологов и затруднило понимание нашего понимания формирования и восстановления памяти.

Чтобы исследовать эту загадку более глубоко, ученые Солка сравнили функционирование зубчатой ​​извилины мыши и другой области гиппокампа, известной как CA1, используя лабораторные методы для отслеживания активности нейронов в нескольких временных точках.

Сначала исследователи взяли мышей из их первоначальной камеры и поместили их в новую камеру, чтобы узнать о новой среде (эпизод 1). Между тем, они записали, какие нейроны гиппокампа были активными, когда животные реагировали на новое окружение. Впоследствии мышей либо возвращали в ту же новую камеру для измерения воспоминаний, либо в слегка измененную камеру для измерения различения (эпизод 2). Активные нейроны в эпизоде ​​2 также были помечены, чтобы определить, использовались ли нейроны, активированные в эпизоде ​​1, таким же образом для припоминания и для распознавания небольших различий между средами.

Когда исследователи сравнили нервную активность во время двух эпизодов, они обнаружили, что зубчатая извилина и подобласти CA1 функционировали по-разному. В CA1 те же нейроны, которые были активны во время начального обучающего эпизода, также были активны, когда мыши извлекали воспоминания. Однако в зубчатой ​​извилине отдельные группы клеток были активны во время эпизодов обучения и поиска. Кроме того, воздействие на мышей двумя слегка разными средами активировало две разные группы клеток в зубчатой ​​извилине.

"Этот вывод подтвердил предсказания теоретических моделей о том, что разные группы клеток активируются при воздействии схожих, но разных сред," говорит Вэй Дэн, докторское исследование Солка и первый автор статьи. "Это контрастирует с результатами предыдущих лабораторных исследований, возможно, потому, что они изучали разные субпопуляции нейронов в зубчатой ​​извилине."

Результаты исследователей Солка предполагают, что восстановление воспоминаний, таких как местонахождение отсутствующих ключей, не всегда включает реактивацию тех же нейронов, которые были активны во время кодирования. Что еще более важно, результаты показывают, что зубчатая извилина выполняет разделение паттернов, используя различные популяции клеток, чтобы представить похожие, но неидентичные воспоминания.

Полученные данные помогают прояснить механизмы, лежащие в основе формирования памяти, и пролить свет на системы, нарушенные травмами и заболеваниями нервной системы.

Зов тайги