В течение последних нескольких десятилетий нейробиологи полагали, что по мере того, как информация хранится в рабочей памяти, клетки мозга, связанные с этой информацией, непрерывно срабатывают. Однако новое исследование Массачусетского технологического института опровергло эту теорию, вместо этого обнаружив, что, поскольку информация хранится в рабочей памяти, нейроны срабатывают спорадическими, скоординированными всплесками.
По словам исследователей, эти циклические всплески могут помочь мозгу одновременно удерживать в рабочей памяти несколько элементов.
«Благодаря тому, что эти разные всплески происходят в разные моменты времени, вы можете хранить в памяти разные элементы отдельно друг от друга», – говорит Эрл Миллер, профессор Пикауэра в Институте обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института и Департамента мозговых и когнитивных наук.
Миллер – старший автор исследования, опубликованного 17 марта в журнале Neuron. Микаэль Лундквист, постдок Института Пикауэра, и Йонас Роуз, ныне работающий в Тюбингенском университете в Германии, являются ведущими авторами статьи.
Всплески активности
Начиная с начала 1970-х годов, эксперименты показали, что когда элемент хранится в рабочей памяти, подмножество нейронов срабатывает непрерывно. Однако эти и последующие исследования рабочей памяти усредняли активность мозга за секунды или даже минуты выполнения задачи, говорит Миллер.
«Проблема в том, что мозг работает не так», – говорит он. "Мы более внимательно изучали эту активность, не усредняя по времени, а наблюдая от момента к моменту. Это показало, что происходит нечто более сложное."
Миллер и его коллеги записали активность нейронов у животных, поскольку им показали последовательность из трех цветных квадратов, каждый в разном месте. Затем квадраты были показаны снова, но один из них изменил цвет. Животных учили реагировать, когда они замечали квадрат, который изменил цвет – задача, требующая от них удерживать все три квадрата в рабочей памяти в течение примерно двух секунд.
Исследователи обнаружили, что, поскольку элементы хранятся в рабочей памяти, ансамбли нейронов в префронтальной коре активны короткими всплесками, и эти всплески происходят только в тех местах записи, в которых хранилась информация о квадратах.
Всплеск был наиболее частым в начале задачи, когда информация была закодирована, и в конце, когда считывались воспоминания.
Заполнение реквизитов
Полученные данные хорошо согласуются с моделью, которую Лундквист разработал в качестве альтернативы модели устойчивой активности как нейронной основы рабочей памяти. Согласно новой модели, информация хранится в быстрых изменениях синаптической силы нейронов.
Короткие всплески служат для «запечатления» информации в синапсах этих нейронов, и всплески периодически повторяются, чтобы усилить информацию, пока это необходимо.
Всплески создают волны скоординированной активности на гамма-частоте (от 45 до 100 герц), подобные тем, которые наблюдались в данных.
Эти волны возникают спорадически, с промежутками между ними, и каждый ансамбль нейронов, кодирующий определенный элемент, производит разные всплески гамма-волн. «Это похоже на отпечаток пальца», – говорит Лундквист.
Когда эта активность усредняется по нескольким повторным испытаниям, она выглядит как плавная кривая непрерывной активности, как предполагали более старые модели рабочей памяти. Однако новый способ измерения и анализа данных командой Массачусетского технологического института предполагает, что полная картина сильно отличается.
"Как будто в течение многих лет вы слушаете музыку из квартиры своего соседа, и все, что вы можете слышать, – это ударная басовая партия.
Вы упускаете все детали, но если вы подойдете к нему достаточно близко, то увидите, что происходит гораздо больше », – говорит Миллер.
Полученные данные предполагают, что было бы целесообразно искать такого рода циклическую активность в других когнитивных функциях, таких как внимание, говорят исследователи.
Колебания, подобные тем, которые наблюдаются в этом исследовании, могут помочь мозгу упаковать информацию и хранить ее отдельно, чтобы разные фрагменты информации не мешали друг другу.
«Ваш мозг работает очень спорадически, периодически, с большим количеством пробелов между информацией, которую он представляет», – говорит Миллер. "Разум скрывает все пробелы и пузырящуюся динамику и дает нам впечатление, что все происходит гладко, когда наш мозг на самом деле работает очень периодическим образом, посылая пакеты информации вокруг."