Как мозг решает, что именно запомнить

Дьёрдь Бужаки начал экспериментировать с волнами ещё в старших классах. В доме своего детства в Венгрии он собрал радиоприёмник, настраивал его на различные электромагнитные частоты и использовал радиопередатчик, чтобы общаться с незнакомцами — от Фарерских островов до Иордании.

Некоторые из этих разговоров времён его увлечения радиолюбительством он помнит лучше, чем другие, точно так же, как вы помните лишь некоторые события из своего прошлого. Сейчас, будучи профессором нейронаук в Нью-Йоркском университете, Бужаки перешёл от радиоволн к мозговым волнам, чтобы задаться вопросом: как мозг решает, что именно запомнить?

Изучая электрические паттерны в мозге, Бужаки стремится понять, как наш опыт представляется и сохраняется в виде воспоминаний. Новые исследования, проведённые в его лаборатории и другими учёными, предполагают, что мозг помечает важный для запоминания опыт, периодически посылая внезапные и мощные высокочастотные мозговые волны. Эти волны, известные как «острые волновые ряби» (sharp wave ripples), возникающие в результате разрядов тысяч нейронов с интервалом в миллисекунды, «похожи на фейерверк в мозге», — говорит Ваннан Ян, аспирантка лаборатории Бужаки, руководившая новой работой, которая была опубликована в журнале Science в марте. Они возникают, когда мозг млекопитающего находится в состоянии покоя, будь то перерыв между задачами или сон.

Ранее уже было известно, что острые волновые ряби участвуют в консолидации или хранении воспоминаний. Новое исследование показывает, что они также участвуют в их отборе, что указывает на важность этих волн на протяжении всего процесса формирования долговременной памяти.

Это также даёт неврологическое объяснение тому, почему отдых и сон важны для удержания информации. Отдыхающий и бодрствующий мозг, по-видимому, запускают разные программы: если вы будете всё время спать, вы не сформируете воспоминания. Если вы будете всё время бодрствовать, вы их тоже не сформируете. «Если вы запускаете только один алгоритм, вы никогда ничему не научитесь, — говорит Бужаки. — У вас должны быть перерывы».

Именно во время этих перерывов и случаются «фейерверки».

Репетиция мозга

Бужаки никогда не забудет, как впервые услышал острую волновую рябь. Это было в 1981 году, когда он был постдоком в Университете Западного Онтарио и слушал активность мозга анестезированных грызунов через громкоговоритель. После девяти лет исследований он привык к ритмичным, мелодичным колебаниям, которые звучали, когда бодрствующие животные исследовали окружающую среду. Он не был готов к внезапному «бонгу», который раздался из динамика, когда грызуны спали.

Для Бужаки этот звук был таким же глубоким, как драматический рефрен Пятой симфонии Бетховена. «Да-да-да-да», — напевал он, вспоминая своё потрясение. А затем ещё один «бонг»: «Да-да-да-да».

Что происходило? Бодрствующий мозг грызунов генерировал электрическую активность, которая колебалась с постоянной частотой. Однако, когда они находились под анестезией, их мозг, по-видимому, нерегулярно выдавал гораздо более быстрые паттерны.

Другие исследователи также наблюдали быстрые волны. Научный руководитель Бужаки, Корнелиус Вандервольф, описал эти нерегулярные паттерны в 1969 году, а лауреат Нобелевской премии нейробиолог Джон О’Киф в 1970-х годах ввёл термин «рябь» (ripples) для их описания. Но только когда Бужаки услышал их сам, он стал одержим ими.

Большую часть времени в лаборатории в течение следующего десятилетия он пытался охарактеризовать эти электрические всплески. В конце 1980-х годов исследователи обнаружили, что могут побудить нейроны создавать более прочные взаимосвязи, связанные с обучением и памятью, искусственно стимулируя их к разрядам в виде быстрых всплесков. Для Бужаки эти всплески звучали очень похоже на его волны. В 1989 году он впервые выдвинул гипотезу о том, что острые волновые ряби могут быть частью механизма мозга по формированию и консолидации воспоминаний.

«У него была идея, что это не просто шумная активность, а нечто важное для мозга, — сказал Микаэль Зугаро, нейробиолог из Коллеж де Франс, работавший постдоком в лаборатории Бужаки в 2002 году. — Это было великолепное предвосхищение будущих открытий, потому что в то время было известно очень мало».

В 1990-х и начале 2000-х годов исследователи воспользовались улучшенной вычислительной мощностью и новыми инструментами, которые могли записывать электрическую активность более чем 100 нейронов одновременно, чтобы лучше охарактеризовать острые волновые ряби. Бужаки и другие учёные обнаружили, что рябь, по-видимому, воспроизводит активность мозга, связанную с опытом животного, например, бегом по лабиринту, за исключением того, что воспроизводимая рябь колебалась в 10–20 раз быстрее, чем исходные сигналы. В одной статье 2002 года, которая «сделала острые волновые ряби очень знаменитыми», как сказал Хироаки Норимото, профессор нейронаук в Университете Нагоя в Японии, было обнаружено, что острые волновые ряби реактивируют последовательность нейронной активности.

В 2009 и 2010 годах две статьи, включая одну под руководством Зугаро, показали, что острые волновые ряби участвуют в консолидации воспоминаний для их длительного хранения. Когда исследователи подавляли или нарушали рябь, крысы хуже справлялись с задачами на память. «Когда вы уничтожаете их, животное больше не помнит», — сказал Зугаро. Более поздние исследования показали, что удлинение или создание большего количества ряби улучшало память крыс.

Стало ясно, что рябь повторяется снова и снова, чтобы закрепить воспоминание. «Мозг репетирует, — говорит Лила Давачи, профессор психологии Колумбийского университета. — Даже в эти моменты бодрствующего покоя ваш мозг продолжает репетировать и воспроизводить прошлое».

Представьте опыт как «мелодию на пианино», говорит Дэниел Бендор, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона. Определённая последовательность нейронов срабатывает, чтобы записать опыт, точно так же, как пианист выстукивает определённую последовательность клавиш. Затем, во время сна, гиппокамп воспроизводит эту последовательность — но быстрее и, возможно, сотни или тысячи раз. Неистовые острые волновые ряби распространяются из гиппокампа, промежуточной станции в мозге для «эпизодических воспоминаний» об определённом опыте, в сторону коры головного мозга, которая участвует в долговременном хранении памяти.

Однако никто не мог объяснить, почему рябь распространяется, пока животное бодрствует и отдыхает. «[Они] должны служить какой-то другой цели», — вспоминает свои мысли Бендор. У учёных было много идей. Некоторые предполагали, что бодрствующая рябь помогает в планировании или принятии решений. Другие предполагали, что они каким-то образом модифицируют или перераспределяют воспоминания.

Ещё одна идея, предложенная несколькими группами, заключалась в том, что воспроизведение во время бодрствования и воспроизведение во время сна тесно связаны — и что это может быть механизмом, с помощью которого мозг выбирает, какой опыт запомнить.

Испытания памяти

В Нью-Йоркском университете коробки с отдыхающими и спящими мышами стояли в комнате с инфракрасным освещением. В соседней комнате находились лабиринты ручной работы, построенные из пластика и ленты. Мышей по одной помещали в лабиринты. Они бегали, нося электроды, которые записывали активность около 500 нейронов гиппокампа, и учились тому, что определённые маршруты приносят им награду в виде воды. Исследуя лабиринт, мыши делали небольшие перерывы, чтобы отдохнуть или почиститься. А после завершения испытаний их возвращали в клетку для сна. Исследователи продолжали записывать активность их мозга, пока они спали.

Ян проанализировала данные, сопоставив, какие нейроны срабатывали во время разных испытаний. Она увидела большое разнообразие — некоторые нейроны срабатывали во время ранних испытаний, а другие — во время более поздних. Иногда они срабатывали с разной частотой. Это сказало ей, что мозг записывает опыт животного в отдельных испытаниях по-разному. Примечательно, что за некоторыми испытаниями следовали всплески острых волновых ряби, а за другими — нет.

Затем она сравнила активность мозга, записанную во время пребывания мышей в лабиринте, с соответствующей рябью, появившейся позже. Испытания, которые воспроизводились чаще, когда мыши отдыхали, были теми же испытаниями, которые воспроизводились, когда они спали. А испытания, которые не воспроизводились, когда мыши бодрствовали, не воспроизводились и во время сна.

Команда пришла к выводу, что отдыхающая рябь может быть механизмом, с помощью которого мозг расставляет приоритеты в опыте, который нужно запомнить. «Может быть, бодрствующая рябь — это те самые метки памяти», которые консолидируют определённый опыт для долговременного хранения, — говорит Ян. — Напротив, те, что не помечены, не воспроизводятся во время сна, и они будут забыты».

«Должна быть какая-то сортировка, чтобы запомнить то, что актуально, и забыть остальное, — сказал Зугаро. — Понимание того, как конкретные воспоминания отбираются для хранения, всё ещё отсутствовало… Теперь у нас есть хорошая зацепка».

В декабре прошлого года исследовательская группа под руководством Бендора из Университетского колледжа Лондона опубликовала в Nature Communications похожие результаты, которые предвосхитили работу Ян и Бужаки. Они также обнаружили, что острые волновые ряби, возникающие, когда крысы бодрствовали и спали, по-видимому, помечают опыт для памяти. Однако их анализ усреднял ряд различных испытаний — подход менее точный, чем тот, которого достигли Ян и Бужаки.

Ключевым новшеством команды из Нью-Йоркского университета было привнесение в анализ элемента времени, который отличает похожие воспоминания друг от друга. Мыши бегали по одним и тем же лабиринтам, и всё же исследователи смогли различить блоки испытаний на уровне нейронов — разрешение, которого никогда раньше не удавалось достичь.

Мозговые паттерны отмечают «что-то немного более близкое к событию и немного менее похожее на общие знания», — сказал Лорен Фрэнк, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не участвовал в исследовании. — Это кажется мне очень интересной находкой».

«Они показывают, что мозг, возможно, создаёт какой-то временной код, чтобы различать разные воспоминания, происходящие в одном и том же месте», — сказала Фрейя Олафсдоттир, нейробиолог из Университета Радбауда, не участвовавшая в работе.

Шантану Джадхав, нейробиолог из Университета Брандейса, высоко оценил исследование. «Это хорошее начало», — сказал он. Однако он надеется увидеть последующий эксперимент, который включает поведенческий тест. Демонстрация того, что животное забыло или запомнило определённые блоки испытаний, была бы «настоящим доказательством того, что это механизм маркировки».

Исследование оставляет без ответа жгучий вопрос: почему один опыт выбирается, а другой — нет? Новая работа предполагает, как мозг помечает определённый опыт для запоминания. Но она не может сказать нам, как мозг решает, что стоит запомнить.

Иногда вещи, которые мы помним, кажутся случайными или неактуальными, и, безусловно, отличаются от того, что мы выбрали бы, если бы нам дали выбор. «Есть ощущение, что мозг расставляет приоритеты, основываясь на «важности», — сказал Фрэнк. Поскольку исследования предполагают, что эмоциональный или новый опыт, как правило, запоминается лучше, возможно, внутренние колебания возбуждения или уровни нейромодуляторов, таких как дофамин или адреналин, и другие химические вещества, влияющие на нейроны, в конечном итоге отбирают опыт, предположил он.

Джадхав поддержал эту мысль, сказав: «Внутреннее состояние организма может влиять на то, чтобы опыт кодировался и сохранялся более эффективно». Но неизвестно, что делает один опыт более склонным к сохранению, чем другие, добавил он. И в случае с исследованием Ян и Бужаки неясно, почему мышь запомнила бы одно испытание лучше, чем другое.

Бужаки по-прежнему привержен изучению роли, которую острые волновые ряби играют в гиппокампе, хотя он и его команда также заинтересованы в потенциальных применениях, которые могут возникнуть из этих наблюдений. Например, возможно, что учёные могли бы нарушать рябь в рамках лечения таких состояний, как посттравматическое стрессовое расстройство, при котором люди слишком ярко помнят определённый опыт, сказал он. «Самый простой путь здесь — стереть острые волны и забыть то, что вы пережили».

Но пока Бужаки продолжит настраиваться на эти мощные мозговые волны, чтобы раскрыть больше информации о том, почему мы помним то, что помним.