© Justin Ladia

Як побачити пам'ять

Автор Myhelix
наука стала ближчою

Хоча когнітивна нейрофізіологиня Джейніс Чен не є фанатом «Шерлока» на BBC, вона як ніхто інший у ньому розбирається. За допомогою сканера мозку вона дізнається, що відбувається у головах глядачів, коли ті дивляться перший епізод серії та переказують сюжет.

Чен, дослідниця Університету Джона Хопкінса у Балтіморі, штат Меріленд, чула всі можливі варіації сцени, у якій жінка фліртує з відомим детективом у морзі. Дехто вважає Шерлока Холмса грубим, а дехто думає, що він не звертає уваги на нервові загравання жінки. Але Чен та її колеги помітилии дещо дивне під час сканування мізків глядачів: хоча різні люди переказували власні версії однієї і тієї ж сцени, їхній мозок проявляв неймовірно схожі патерни активності.

Чен ― одна з науковців, які використовують сканування мозку для пошуку патернів активності, залучених у формування та відтворення певних спогадів. Цьому сприяв технологічний прогрес у нейробіології людини та тварин: за останні десять років інновації уможливили розуміння основних механізмів формування, організації та взаємодії окремих спогадів. Наприклад, використовуючи методи маркування активних нейронів, науковці виявили зв'язки у мозку гризунів, що стосуються спогадів про біль, а також повторно активізували ці шляхи для запуску таких спогадів. У дослідженнях з людьми було виявлено відбитки, що залишають окремі спогади. Це проливає світло на способи їх організації та поєднання у мозку для формування пам’яті. Одного дня ці результати допоможуть з'ясувати, чому спогади згасають у старості чи при хворобі або як у свідченнях очевидців з'являються хибні спогади. Розуміння цих процесів також може бути корисним при створенні мнемотехнік.

Ця робота суттєво відрізняється від попередніх досліджень пам’яті, у яких її розташування та механізми визначали більш загально. «Результати експериментів на гризунах, а також на людях тепер дійсно сходяться», ― говорить нейробіологиня Шина Джозелін у дитячій лікарні в Торонто, Канада.

У пошуках енграми

Фізичний слід окремого спогаду ― енграма ― довгий час залишався невловимим. Американський психолог Карл Лешлі був одним із перших  «мисливців» за енграмою та присвятив значну частину своєї кар'єри її пошуку. Ще у 1916 році він проводив такий експеримент: навчав пацюків долати простий лабіринт, після чого руйнував невелику ділянку кори великих півкуль їхнього мозку та знову запускав тварин у лабіринт. Часто пошкодження мозку майже не призводило до змін. Роки минали, але місце розташування спогадів щурів залишалося невідомим. Підсумовуючи свою амбітну місію в 1950 році, Лешлі писав: «З огляду на наявні докази локалізації пам'яті, мені іноді здається, що дослідження цього процесу просто не є можливим».

Нині відомо, що пам'ять не стосується одної окремої частини мозку. Більше того, різні типи пам'яті потребують залучення його різних ділянок. Багато структур, необхідних для формування та відтворення спогадів, такі як гіпокамп, розташовані поза межами кори головного мозку ― і Лешлі переважно пропустив їх. Більшість учених-нейробіологів вважає, що такі процеси збуджують клітини у цих ділянках, змінюють експресію їх генів, формують нові зв'язки та змінюють ті, що вже існують. Усе це і призводить до формування пам’яті. Згідно з наявними теоріями, спогади виникають, коли ці нервові клітини знову збуджуються за тими ж патернами активності, що притаманні попередньому досвіду.

Учені з’ясували основні принципи цього неосяжного процесу. Але досі складно перевірити теорії стосовно того, як групи нейронів зберігають та відтворюють блоки інформації. Тільки останнім часом з появою нових методів позначення, активації та заглушення окремих нейронів тварин дослідники навчилися точно визначати, які нейрони утворюють певні спогади.

Джозелін допомогла спрямувати ці дослідження у правильне русло своїми ранніми дослідженнями з пошуку енграми у нервових клітинах гризунів. У 2009 році вона разом із групою науковців змогла підвищити рівень основного білка пам'яті ― CREB ― у клітинах мигдалеподібного тіла (ділянка, в якій формується почуття страху) і показала, що ці клітини особливо швидко збуджуються, коли миші усвідомлюють та пригадують зв’язок між електрошоком та його звуками. Дослідники припустили, що якщо ці багаті на CREB клітини є важливою частиною енграми страху, то їх вилучення призведе до стирання пам'яті про звук, отже, і страху до нього. Коли науковці використали токсини для знищення цих нервових клітин, миші перестали боятися звуків електрошоку.

Через кілька місяців група науковців Каліфорнійського університету Лос-Анджелеса під керівництвом Альчіно Сільви досягла подібних результатів. Вони позбавляли мишей страшних спогадів після біохімічного пригнічення нейронів, що надмірно продукували CREB. У ході експерименту вони також виявили, що багаті на CREB нейрони є більш збудливими, ніж інші, що може пояснити їх готовність записувати майбутній досвід. «Майже одночасно нашим лабораторіям вдалося зробити відкриття: існують певні правила, за якими клітини стають частиною енграми», ― говорить Сільва.

Але такі дослідження зі стирання пам'яті стосувалися лише однієї сторони енграми. Щоб безперечно стверджувати про успіхи у пошуках енграми, вчені мали також навчитися створювати спогади за вимогою. У 2012 році група професора Массачусетського технологічного інституту Кембриджа Сусуму Тонегави повідомила про створення моделі, яка втілює це у життя.

Проведення генетичних маніпуляцій над клітинами головного мозку мишей дозволило дослідникам позначити збудження нейронів світлочутливим білком. Вони були націлені на дослідження нейронів гіпокампу ― важливої ділянки для обробки пам'яті. Після маркування нейронів учені проводили серію електрошоків. Збуджені після дії електричного струму нейрони виділяли світлочутливий білок. Це дозволило дослідникам виокремити клітини, що були залучені до формування цього спогаду. Пізніше, після активації цих нейронів лазером, учені відтворювали неприємні спогади у свідомості тварин. У наступних дослідженнях учені з групи Тонегави помістили гризунів у нову клітку, де вони знову отримували електричні імпульси. Цього разу дослідники одночасно активували нейрони, які були залучені до енграми «безпечної» клітки. Коли піддослідних гризунів повертали до безпечної клітки без струму, вони застигали від страху, оскільки страшні спогади тепер були пов’язані з безпечним місцем. Досліди інших науковців також показали подібні результатив при використанні аналогічних методів.

Усі ці роботи, проведені багатьма науковими групами, за словами Сільви, підтверджують той факт, що фізіологічний слід пам'яті (або принаймні ключові компоненти цього сліду) може стосуватися окремих нейронів. Однак нейрони однієї ділянки гіпокампу або мигдалеподібного тіла є лише крихітною складовою енграми страху від електрошоку, який також формується зображенням, звуками та безліччю інших відчуттів. «Ймовірно, такі спогади стосуються 10-30 різних ділянокй мозку», ― каже Сільва.

Вдаючись до тонкощів

Завдяки прогресу у технологіях сканування, вчені мають змогу роздивитися, що відбувається в усьому мозку під час формування енграми. Найбільш широко використовується функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ). Цей метод не відображає одиничні нейрони, але натомість дає змогу побачити зони активності у різних ділянках мозку. Зазвичай фМРТ використовуютьється для вибору ділянок, які найбільш залучені до вирішення певних задач. Однак останнім часом науковці виявили також сліди загальної мозкової активності, яка з'являється, коли люди пригадують конкретний досвід. «Це одна з найвидатніших революцій у когнітивній нейробіології», ― говорить Майкл Кахана, нейробіолог Пенсильванського університету Філадельфії.

Розвиток методу MVPA (мультивоксельний аналіз патернів, або multi-voxel pattern analysis) є двигуном цієї революції. Іноді його ще називають «декодуванням мозку». Цей статистичний метод полягає у подачі даних фМРТ у комп'ютерний алгоритм, який автоматично вивчає нейронні патерни, які виникають у відповідь на конкретні думки або досвід. Ще під час аспірантури у 2005 році Шон Полін ― нині нейробіолог в Університеті Вандербільта у Нашвіллі, штат Теннессі ― очолив дослідження, у якому MVPA було вперше випробувано на людській пам'яті. У цьому експерименті волонтери розглядали зображення відомих людей, місць та об'єктів. За зібраними даними фМРТ науковці навчили комп'ютерну програму ідентифікувати патерни активності мозку, що пов'язані з кожною із цих категорій.

Коли під час сканування піддослідні називали предмети, які вони могли пригадати, вченим вдалося зафіксувати нейронні сигнали, що з'являлися за кілька секунд перед відповіддю. Наприклад, перед пригадуванням видатних людей активувалася зона кори головного мозку, що відповідає за розрізнення облич. Це є одним із перших доказів, що коли люди відтворюють певний спогад, їхній мозок повертається у стан, в якому перебував під час запису цієї інформації.

Відтоді Чен та інші удосконалили методи декодування пам'яті. У дослідженнях із «Шерлоком» її група виявила, що патерни мозкової активності під час 50 різних сцен  першої серії можна чітко відрізнити один від одного. Ці патерни були надзвичайно конкретними як для сцен, у яких фігурував сам Шерлок, або для тих, у яких його не було; ці патерни відрізнялися і для сцен, що відбувалися в приміщенні, або, навпаки, на вулиці.

Біля гіпокампу та інших мозкових центрів обробки, таких як медіальна задня кора, дослідники бачили однакові патерни активності у різних людей, навіть якщо кожна людина пізніше переказувала епізод по-своєму. Вони навіть спостерігали подібну мозкову активність у людей, які ніколи не бачили цей серіал, але чули відгуки про нього.

«Було несподівано побачити один і той самий слід у пам’яті різних людей, які по-різному пам'ятали одну й ту саму сцену та переказували сюжет різними словами», ― говорить Чен. Результати свідчать про те, що мозок, і навіть його комплексні ділянки, які відповідають за збереження та обробку інформації, може мати більше спільних рис у різних людей, ніж очікувалося.

Злиття спогадів

Оскільки нові методи дають уявлення про енграму, дослідники можуть почати вивчати не тільки те, як формуються окремі спогади, але і як спогади взаємодіють між собою або змінюються з часом.

У Нью-Йоркському університеті нейрофізіолог Ліла Давачі використовує АМВК для вивчення того, як мозок сортує спогади, вміст яких перегукується. У своєму нещодавньому дослідженні Давачі разом з аспіранткою Алексою Томпарі демонструвала добровольцям зображення 128 об’єктів. Кожен із цих об’єктів був асоційований з одним із чотирьох місць ― наприклад, зображення пляжу було пов’язано з прохолодним напоєм; міський пейзаж був асоційований з парасолькою тощо. Кожен об'єкт було пов’язано лише з одним місцем, але одне місце ­― з кількома об’єктами. Спочатку, коли волонтери підбирали предмети до відповідних сцен, кожен об’єкт викликав окремий патерн активації мозку. Але через тиждень нейронні патерни, утворені під час цього завдання, стали більш схожі на ті, що були утворені об'єктами тієї ж групи. Мозок реорганізував спогади відповідно до спільної інформації про них. «Таке групування може стати початком вивчення “сутності” інформації», ― говорить Давачі.

Груповані спогади можуть також допомогти людям використовувати апріорне знання для вивчення нових речей, згідно з дослідженням нейробіологині Алісон Престон з Техаського університету в Остіні. У дослідженні 2012 року Престон з колегами виявила, що коли хтось бачить одну пару зображень (наприклад, гру в баскетбол та коня), а потім іншу пару (коня та озеро), у якій є спільний з попередньою парою предмет, мозок реактивує патерн, пов’язаний із першою парою. Ця реактивація, імовірно, поєднує ті дві пари зображень; люди, у яких спостерігали цей ефект під час навчання, краще визначали зв’язок пізніше ― апріорний ― між двома зображеннями, які не з’являлися в одній парі (у цьому випадку баскетбол та озеро). «Мозок утворює зв’язки і відображає інформацію та знання, які прямо не потрапляли до нашого спостереження», ― пояснює Престон. Цей процес може допомогти у повсякденні, при навігації у незнайомому середовищі шляхом виявлення просторових зв’язків між кількома відомими орієнтирами. Можливість поєднання різних блоків інформації для формування нових ідей може також мати важливе значення для творчості або для передбачення.

У наступному дослідженні Престон почала досліджувати механізм, який лежить в основі  взаємодії з пам’яттю, і виявила, що споріднені спогади можуть об’єднуватися в єдине уявлення, особливо якщо такі спогади набуті послідовно. Примітним є те, що у роботі Сільви миші схильні пов’язувати два спогади, що формувалися один за одним. У 2016 році його група помітила, що коли миші усвідомили наявність електричного струму у підлозі однієї клітки, вони також стали уникати клітки без струму, яку відвідували кілька годин раніше. Дослідники продемонстрували, що нейрони, щокі відповідають за один спогад, залишаються більш збудливими принаймні ще п’ять годин після його утворення та створюють проміжок, у який може виникнути енграма, що частково збігається. Дійсно, коли Сільва з колегами позначали активні нейрони, виявлялося, що багато з них були задіяні у спогадах про обидві клітки.

Ці висновки свідчать про існування нейробіологічних механізмів, що пов’язують індивідуальні спогади з більш загальними уявленнями про світ. «Наша пам’ять ― це не просто пул інформації, ― каже Джозелін. ― Насправді ми формуємо ідеї та пов’язуємо речі, між якими є щось спільне». Іншою стороною такої гнучкості є формування помилкових або зіпсованих спогадів: миші Сільви стали боятися безпечної ​​клітки, оскільки спогад про неї був сформований незадовго до жахливого спогаду про іншу клітку зі струмом. Перенесення одного досвіду на абстрактні концепції та нові ідеї може призвести до втрати деталей окремих спогадів. При спробі пригадати окремі події спогади про них можуть бути заплутаними або поєднаними з іншими спогадами. «Пам’ять ― це нестабільне явище», ― каже Престон.

Тепер дослідники намагаються дослідити, як конкретні спогади розвиваються з часом, і зрозуміти механізми їх спотворення та відображення. Змога ідентифікувати та управляти окремими енграмами тварин вселяє вченим надію на підтвердження їхніх теорій про те, як нервові клітини зберігають і обробляють інформацію ― теорій, які було важко перевірити. «Ці теорії існують уже давно та насправді є інтуїтивними, але раніше ми не знали механізмів, що стоять за ними», ― каже Престон. Зокрема, виявлення окремих нейронів, залучених у певні спогади, дозволить вченим детально вивчати клітинні процеси, що відповідають за набуття, відтворення та втрату інформації. «Ми зараз у золотому віці», ― вважає Джозелін. «У нас є всі сучасні технології, яким нарешті ми можемо поставити старі запитання».

 

Джерело: https://www.nature.com/articles/d41586-018-00107-4

ДНК-тест «Мій раціон»
1950 грн
Замовити тест
ДНК-тест «Моє вегетаріанство»
1950 грн
Замовити тест