Новые эксперименты показывают, как мозг выбирает, какие воспоминания сохранить, и подтверждают советы о важности отдыха

Дьёрдь Бузсаки впервые начал изучать волны, когда учился в средней школе. В доме своего детства в Венгрии он собрал радиоприёмник, настроил его на различные электромагнитные частоты и использовал радиопередатчик, чтобы общаться с незнакомцами от Фарерских островов до Иордании.

Некоторые из этих разговоров он помнит лучше, чем другие, так же как вы помните только некоторые события из своего прошлого. Теперь, будучи профессором нейронаук в Нью-Йоркском университете, Бузсаки перешёл от радиоволн к волнам мозга и задался вопросом: как мозг решает, что запомнить?

Изучая электрические схемы в мозге, Бузсаки стремится понять, как наши переживания представляются и сохраняются в виде воспоминаний. Новые исследования, проведённые в его лаборатории и других, показали, что мозг отмечает впечатления, которые стоит запомнить, неоднократно посылая внезапные и мощные высокочастотные мозговые волны. Известные как «резкие волновые пульсации», эти волны, возникающие в результате срабатывания многих тысяч нейронов в течение миллисекунд друг за другом, «подобны фейерверку в мозге», — говорит Ваннан Ян, докторант из лаборатории Бузсаки, руководитель новой работы, которая была опубликована в журнале Science в марте. Они срабатывают, когда мозг млекопитающих находится в состоянии покоя — во время перерыва между заданиями или во время сна.

Уже было известно, что резкие волновые пульсации участвуют в консолидации воспоминаний или их хранении. Новое исследование показывает, что они также участвуют в их отборе, что указывает на важность этих волн в процессе формирования долгосрочной памяти.

Оно также даёт неврологическое обоснование того, почему отдых и сон важны для сохранения информации. Мозг в состоянии покоя и бодрствования, похоже, запускает разные программы. Если вы постоянно спите, у вас не будут формироваться воспоминания. Если вы постоянно бодрствуете, они тоже не будут формироваться. «Если вы будете выполнять только один алгоритм, вы никогда ничему не научитесь», — говорит Бузсаки. «У вас должны быть перерывы».

Во время таких перерывов и начинаются фейерверки.

Репетиция мозга

Бузсаки никогда не забудет, как впервые услышал резкую волновую рябь. Это был 1981 год, и он был постдоком в Университете Западного Онтарио, слушая через громкоговоритель мозговую активность наркотизированных грызунов. За девять лет исследований он привык к ритмичным, мелодичным колебаниям, которые издавали бодрствующие животные, исследуя окружающую среду. Он не был готов к внезапному «звону», который раздался из динамика, когда грызуны спали.

Для Бузсаки этот звук был таким же многозначительным, как драматический рефрен 5-й симфонии Бетховена. «Да-да-да-ДА», — пропел он, вспоминая своё потрясение. А потом ещё один звон: «Да-да-да-ДА».

Что произошло? В бодрствующем состоянии мозг грызунов генерировал электрическую активность, которая колебалась с постоянной скоростью. Однако когда они находились под наркозом, их мозг, казалось, нерегулярно генерировал гораздо более быстрые волны.

Быстрые волны наблюдали и другие исследователи. Постдоктор Бузсаки Корнелиус Вандервольф описал нерегулярные волны в 1969 году, а лауреат Нобелевской премии нейробиолог Джон О'Киф ввёл термин «пульсация» для их описания в 1970-х годах. Но только когда Бузсаки услышал их сам, он стал одержим.

В течение следующего десятилетия он проводил большую часть своего лабораторного времени, пытаясь охарактеризовать эти электрические всплески. В конце 1980-х годов исследователи обнаружили, что можно заставить нейроны создавать более прочные взаимосвязи, связанные с обучением и памятью, искусственно стимулируя их к быстрым всплескам. Бузсаки эти всплески напомнили его любимые волны. В 1989 году он впервые выдвинул гипотезу о том, что резкие волновые пульсации могут быть частью механизма формирования и закрепления воспоминаний в мозге.

«У него была идея, что это не просто некий шум, что эта активность имеет значение для мозга», — говорит Михаэль Зугаро, нейробиолог из Коллеж де Франс, который работал постдоком в лаборатории Бузсаки в 2002 году. «Это было большое предвкушение будущих открытий, потому что в то время было известно очень мало».

В 1990-х и начале 2000-х годов исследователи воспользовались преимуществами возросшей вычислительной мощности и новыми инструментами, позволяющими регистрировать электрическую активность более 100 нейронов одновременно, чтобы лучше охарактеризовать резкие волновые пульсации. Бузсаки и другие учёные обнаружили, что эти пульсации, похоже, воспроизводят активность мозга животного, например, бег по лабиринту, за исключением того, что эти пульсации колеблются в 10-20 раз быстрее, чем исходные сигналы. По словам Хироаки Норимото, профессора нейронаук из Университета Нагои (Япония), в одной из работ 2002 года, которая «сделала резкие волновые пульсации очень известными», было обнаружено, что резкие волновые пульсации реактивируют последовательность активности нейронов.

В 2009 и 2010 годах две работы, в том числе одна под руководством Зугаро, показали, что резкие волновые пульсации участвуют в закреплении воспоминаний, которые сохраняются в течение длительного времени. Когда исследователи подавляли или нарушали эти пульсации, крысы хуже справлялись с заданиями на запоминание. «Когда вы их уничтожаете, животное больше не помнит», — говорит Зугаро. Более поздние исследования показали, что удлинение или создание большего количества пульсаций улучшает память крыс.

Стало ясно, что пульсации воспроизводятся многократно, чтобы закрепить память. «Мозг репетирует», — говорит Лила Давачи, профессор психологии Колумбийского университета. «Даже в моменты бодрствования ваш мозг продолжает репетировать и воспроизводить прошлое».

Представьте, что пережитое — это «мелодия на фортепиано», — говорит Дэниел Бендор, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона. Для записи переживаний срабатывает определённая последовательность нейронов, подобно тому как пианист отбивает определённую последовательность клавиш. Затем, во время сна, гиппокамп воспроизводит эту последовательность — но быстрее и потенциально сотни или тысячи раз. Бешеные резкие волны распространяются от гиппокампа, который является перевалочным пунктом в мозге для «эпизодических воспоминаний» о конкретном опыте, к коре головного мозга, которая участвует в хранении долгосрочной памяти.

Однако никто не мог объяснить, почему пульсации распространяются, когда животное бодрствует и отдыхает. «[Они] должны служить какой-то другой цели», — вспоминает Бендор. У учёных было много идей. Одни предполагали, что пульсации во время бодрствования помогают планировать или принимать решения. Другие предполагали, что они каким-то образом изменяют или перераспределяют воспоминания.

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

Испытания памяти

В Нью-Йоркском университете в комнате с инфракрасным освещением стояли коробки с отдыхающими и спящими мышами. В соседней комнате находились лабиринты, сделанные вручную из пластика и скотча. По очереди мышей помещали в лабиринты. Они бегали по нему, надев электроды, которые регистрировали активность около 500 нейронов гиппокампа, и узнавали, что за прохождение определённых маршрутов они получат в награду воду. Исследуя лабиринт, мыши делали небольшие перерывы, чтобы отдохнуть или привести себя в порядок. А после окончания испытаний их возвращали в домашнюю клетку, чтобы они могли вздремнуть. Исследователи продолжали записывать их мозговую активность, пока они спали.

Янг проанализировала данные, составив карту того, какие нейроны срабатывают во время различных испытаний. Она увидела большой разброс: одни нейроны срабатывали во время ранних испытаний, другие — во время более поздних. Иногда они срабатывали с разной скоростью. Это говорит о том, что мозг по-разному фиксирует переживания животного во время отдельных испытаний. Примечательно, что за одними испытаниями следовали всплески резких волновых пульсаций, а за другими — нет.

Затем она сравнила активность мозга, зафиксированную во время прохождения мышами лабиринта, с соответствующими пульсациями, появившимися позже. Испытания, которые повторялись чаще, когда мыши отдыхали, были теми же самыми испытаниями, которые повторялись, когда они спали. А те испытания, которые не воспроизводились, когда мыши бодрствовали, не воспроизводились и во время сна.

Команда пришла к выводу, что пульсации в состоянии покоя могут быть механизмом, с помощью которого мозг определяет приоритетность опыта для запоминания. «Возможно, пульсации во время бодрствования — это те метки памяти, которые консолидируют определённые впечатления для долгосрочного хранения, — говорит Янг. «Напротив, те, что не отмечены, не воспроизводятся во время сна и забываются».

«Должна быть какая-то сортировка, чтобы помнить то, что важно, и забывать остальное», — говорит Зугаро. «Понимание того, как конкретные воспоминания отбираются для хранения, до сих пор отсутствовало. ... Теперь у нас есть хорошая зацепка».

В декабре прошлого года исследовательская группа под руководством Бендора из Университетского колледжа Лондона опубликовала в журнале Nature Communications результаты, которые предвосхитили результаты Янга и Бузсаки. Они тоже обнаружили, что резкие волновые пульсации, возникающие у крыс в бодрствующем и спящем состоянии, как бы маркируют опыт для запоминания. Однако в их анализе усреднялось количество различных опытов — подход менее точный, чем тот, которого добились Янг и Бузсаки.

Ключевым нововведением команды Нью-Йоркского университета стало включение в анализ элемента времени, который отличает похожие воспоминания друг от друга. Мыши бегали по одним и тем же лабиринтам, но исследователи смогли различить блоки испытаний на уровне нейронов, чего раньше никогда не удавалось достичь.

Мозговые паттерны отмечают «нечто более близкое к событию и менее похожее на общее знание», — говорит Лорен Франк, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не принимал участия в исследовании. «Мне кажется, это очень интересный вывод».

«Они показывают, что мозг, возможно, создаёт некий временной код, чтобы различать разные воспоминания, возникающие в одном и том же месте», — говорит Фрейя Олафсдоттир, нейробиолог из Университета Радбоуда, не принимавшая участия в работе.

Шантану Джадхав, нейробиолог из Университета Брандейса, высоко оценил исследование. «Это хорошее начало», — сказал он. Однако он надеется увидеть продолжение эксперимента, включающее поведенческий тест. Демонстрация того, что животное забывает или помнит определённые пробные блоки, стала бы «реальным доказательством того, что это механизм меток».

Исследование оставляет без ответа животрепещущий вопрос: Почему один опыт выбирается вместо другого? Новая работа предполагает, как мозг отмечает определённый опыт для запоминания. Но она не может сказать нам, как мозг решает, что стоит запомнить.

Иногда то, что мы вспоминаем, кажется случайным или неважным, и уж точно отличается от того, что мы выбрали бы, если бы нам предоставили выбор. Есть ощущение, что мозг расставляет приоритеты, исходя из «важности», — говорит Фрэнк. Поскольку исследования показывают, что эмоциональный или новый опыт запоминается лучше, возможно, что внутренние колебания возбуждения или уровня нейромодуляторов, таких как дофамин или адреналин, и других химических веществ, влияющих на нейроны, в конечном итоге выбирают опыт, предположил он.

Джадхав поддержал эту мысль, сказав: «Внутреннее состояние организма может повлиять на то, что опыт будет закодирован и сохранён более эффективно». Но неизвестно, что делает один опыт более склонным к сохранению, чем другие, добавил он. И в случае с исследованием Янга и Бузсаки неясно, почему мышь запоминает одно испытание лучше, чем другое.

Бузсаки продолжает изучать роль резких волновых пульсаций в гиппокампе, хотя его и его команду также интересуют потенциальные приложения, которые могут возникнуть в результате этих наблюдений. Например, возможно, что учёные смогут нарушить пульсации в рамках лечения таких заболеваний, как посттравматическое стрессовое расстройство, при котором люди слишком ярко помнят определённые переживания, сказал он. «Здесь можно получить нехитрый результат — стереть резкие волны и забыть о том, что вы пережили».

Но пока что Бузсаки будет продолжать наблюдать за этими мощными мозговыми волнами, чтобы узнать больше о том, почему мы помним то, что помним.