Около десяти лет назад у крыс была обнаружена группа нейронов, известная как «клетки времени». Эти клетки, по-видимому, играют уникальную роль в записи происходящих событий, позволяя мозгу правильно отмечать порядок того, что происходит в эпизодической памяти.
Эти клетки, расположенные в гиппокампе мозга, демонстрируют характерный образец активности, в то время как животные кодируют и запоминают события, объясняет Брэдли Лега, М.D., доцент кафедры неврологической хирургии UTSW и старший автор исследования PNAS. По словам Лега, срабатывая в воспроизводимой последовательности, они позволяют мозгу организовываться, когда происходят события.
Время их срабатывания контролируется мозговыми волнами частотой 5 Гц, называемыми тета-колебаниями, в процессе, известном как прецессия.
Lega исследовала, есть ли у людей временные клетки, используя задачу памяти, которая предъявляет высокие требования к информации, связанной со временем. Лега и его коллеги набрали добровольцев из отдела мониторинга эпилепсии Питера О’Доннелла мл.
Институт мозга, где пациенты с эпилепсией остаются в течение нескольких дней до операции, чтобы удалить поврежденные части их мозга, вызывающие судороги. По словам Лега, электроды, имплантированные в мозг этих пациентов, помогают их хирургам точно идентифицировать очаги приступа, а также предоставляют ценную информацию о внутренней работе мозга.
Регистрируя электрическую активность гиппокампа в мозгу 27 добровольцев, исследователи заставляли их выполнять задачи «свободного вспоминания», которые включали чтение списка из 12 слов в течение 30 секунд, выполнение короткой математической задачи, чтобы отвлечь их от повторения списков, а затем напоминание как можно большего количества слов из списка в течение следующих 30 секунд. Эта задача требует связать каждое слово с отрезком времени (список, в котором оно было), что позволило Леге и его команде искать временные ячейки.
То, что обнаружила команда, было захватывающим: они не только определили устойчивую популяцию временных ячеек, но и срабатывание этих ячеек предсказало, насколько хорошо люди могут связывать слова вместе во времени (явление, называемое временной кластеризацией). Наконец, эти клетки, по-видимому, демонстрируют фазовую прецессию у людей, как и предсказывалось.
«В течение многих лет ученые предполагали, что временные клетки подобны клею, который скрепляет воспоминания о событиях в нашей жизни», – говорит Лега. "Это открытие особенно элегантно подтверждает эту идею."
Во втором исследовании, проведенном в Science, Брэд Пфайффер, доктор философии.D., доцент нейробиологии, возглавлял команду, исследующую клетки места – популяцию клеток гиппокампа как у животных, так и у людей, которая фиксирует, где происходят события. Исследователи давно знают, что по мере того, как животные путешествуют по пути, по которому они шли раньше, нейроны, кодирующие разные места на этом пути, будут активироваться в такой же последовательности, как временные клетки, в порядке временных событий, объясняет Пфайффер. Кроме того, в то время как крысы активно исследуют окружающую среду, клетки места дополнительно организуются в «мини-последовательности», которые представляют собой виртуальный поиск мест перед крысой.
Эти подобные радару развертки происходят примерно 8-10 раз в секунду и считаются механизмом мозга для прогнозирования немедленно предстоящих событий или результатов.
До этого исследования было известно, что, когда крысы прекращали бегать, клетки места часто реактивировались в длинных последовательностях, которые, казалось, воспроизводили предыдущий опыт крысы в обратном порядке.
Хотя было известно, что эти события «обратного воспроизведения» важны для формирования памяти, было неясно, как гиппокамп мог производить такие последовательности. Действительно, значительная работа показала, что опыт должен укреплять последовательности вперед, «смотреть вперед», но ослаблять обратное воспроизведение.
Чтобы определить, как эти обратные и прямые воспоминания работают вместе, Пфайффер и его коллеги поместили электроды в гиппокамп крыс, а затем позволили им исследовать два разных места: квадратную арену и длинный прямой путь. Чтобы побудить их перемещаться по этим пространствам, они разместили в разных местах колодцы с шоколадным молоком.
Затем они проанализировали активность пространственных клеток животных, чтобы увидеть, как она соответствует их местоположению.
Определенные нейроны срабатывают, когда крысы блуждают по этим пространствам, кодируя информацию на месте.
Эти же нейроны запускались в той же последовательности, в которой крысы возвращались по своим траекториям, и периодически запускались в обратном направлении, когда они совершали разные этапы своего путешествия. Однако, внимательно изучив данные, исследователи обнаружили кое-что новое: по мере того, как крысы перемещались по этим пространствам, их нейроны не только демонстрировали прямые предсказательные мини-последовательности, но также и обратные ретроспективные мини-последовательности.
Последовательности вперед и назад чередовались друг с другом, каждая из которых занимала всего несколько десятков миллисекунд.
«Пока эти животные двигались вперед, их мозг постоянно переключался между ожиданием того, что произойдет дальше, и воспоминанием о том, что только что произошло, и все это происходило в пределах долей секунды», – говорит Пфайффер.
Пфайффер и его команда в настоящее время изучают, какие сигналы эти клетки получают от других частей мозга, которые заставляют их действовать по этим прямым или обратным паттернам. Теоретически, говорит он, эту систему можно было бы взломать, чтобы помочь мозгу вспомнить, где произошло событие, с большей точностью.
Точно так же, добавляет Лега, методы стимуляции могут в конечном итоге имитировать точную структуру временных ячеек, чтобы помочь людям более точно запоминать временные последовательности событий. Дальнейшие исследования: «За последние несколько десятилетий произошел взрыв новых открытий, касающихся памяти», – добавляет он. "Расстояние между фундаментальными открытиями, сделанными на животных, и тем, как они могут помочь людям, сейчас сокращается."