Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Обнаружен механизм организации порядка вещей в мозге

Обнаружен механизм организации порядка вещей в мозге
Обнаружен механизм организации порядка вещей в мозге

Ученые из Института системной нейронауки Кавли при NTNU в Норвегии обнаружили закономерность активности в мозге, которая служит шаблоном для построения последовательного опыта.

«Я считаю, что мы нашли один из прототипов мозга для построения последовательностей», — говорит профессор Эдвард Мозер. Он описывает модель активности как «фундаментальный алгоритм, присущий мозгу и независимый от опыта».

Прорывное открытие было опубликовано в журнале Nature.

Способность организовывать элементы в последовательности — фундаментальная биологическая функция, необходимая для нашего выживания. Без него мы не смогли бы общаться, следить за временем, находить дорогу и даже помнить, что мы делаем в процессе. Мир перестанет представляться нам в осмысленном опыте, поскольку каждое событие будет фрагментировано на беспорядочную серию случайных событий.

Открытие исследователями NTNU жесткой последовательности в мозге дает новое понимание того, как мы организуем переживания во временном порядке.

Последовательный характер памяти

Вы когда-нибудь слышали, чтобы воспоминания описывали как снимки? По мнению профессора Эдварда Мозера, это не очень точное описание. «Полезнее думать о воспоминаниях как о видео», — говорит он.

«Весь ваш опыт в мире распространяется во времени», — говорит профессор Мэй-Бритт Мозер. «Происходит одно, потом другое, потом третье».

Ваш мозг обладает замечательной способностью мысленно фиксировать и организовывать выбранные события в хронологическом порядке, в котором они произошли, и связывать их вместе как значимый опыт. Эта деятельность по построению последовательности происходит в той временной шкале, в которой вы взаимодействуете с ситуацией. Когда вы вспоминаете это воспоминание, процесс повторного переживания в уме последовательности событий также требует времени.

«Как мозг способен генерировать и хранить все эти уникальные и длинные последовательности информации на лету?» — спрашивает Эдвард Мозер.

«Там должен существовать основополагающий механизм формирования последовательности».

«В нейробиологии существует несоответствие между временными рамками, в которых обычно изучается активность мозга (в миллисекундном режиме), и временными рамками, в которых происходят многие из наших наиболее важных функций мозга, в диапазоне от десятков секунд до нескольких минут», — говорит Соледад. Гонсало Коньо, руководитель исследовательской группы Кавли и первый автор статьи, подробно рассказывает о мотивах этого исследования.

Команда намеревалась идентифицировать этот фундаментальный механизм формирования последовательностей, который происходит в очень медленных временных масштабах, как и большинство функций нашего мозга.

Эксперимент

Чтобы выяснить, как нейроны координируют свои действия в медленных временных масштабах, в которых реализуются многие функции нашего мозга, исследователи Кавли сосредоточились на медиальной энторинальной коре (МЭК), области мозга, которая поддерживает функции мозга, которые зависят от формирования последовательностей, такие как навигация и эпизодическая память. , которые разворачиваются очень медленно во времени.

Огромный объем информации о внешнем мире, обрабатываемой мозгом в любой момент времени, затруднял поиски. Любой базовый сигнал от структурированных и рекуррентных нейронных алгоритмов рискует утонуть в «шуме» поступающего опыта.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи создали экспериментальную среду, практически лишенную сенсорных воздействий. Они позволяют мыши бегать в полной темноте, не выполняя никаких задач и не получая награды. Мышь могла бегать или отдыхать по своему усмотрению, пока длился сеанс.

В то же время исследователи записывали, что происходило в энторинальной коре головного мозга мыши, в то время как ее оркестр нервных клеток оставался в этом тихом режиме ожидания.

Фундаментальный мозговой механизм сортировки информации в последовательности

«Вот что мы нашли», — говорит Соледад Гонсало Коньо, указывая на полосатую фигуру перед собой.

Узор состоит из тысяч точек, сгруппированных вместе. Каждая точка представляет собой нейронный сигнал. Мы видим, что нейронная активность перемещается по всем клеткам снизу вверх вдоль оси Y с течением времени вдоль оси X. Кластеризация говорит нам, что деятельность координируется как волны, пробегающие по сети, подобно ритмам в симфонии.

Последовательности являются сверхмедленными, а это означает, что волне требуется две минуты, чтобы пройти через нейронную сеть , прежде чем весь процесс повторится снова, иногда на протяжении всей продолжительности тестового сеанса в течение периода до часа.

На рисунке показано несколько сотен нейронов энторинальной коры головного мозга мыши, колеблющихся на сверхмедленных частотах, охватывающих временные окна от десятков секунд до нескольких минут. Динамика, которая взволновала исследователей еще больше, заключается в том, что по мере того, как каждая клетка колеблется, клетки также организуются в последовательности: ячейка A срабатывает раньше ячейки B, ячейка B активируется раньше ячейки C и так далее, пока они не завершат полный цикл. цикл и вернитесь в ячейку A, где цикл повторяется.

Эта высокоструктурированная деятельность совпадает с временной шкалой событий, которые мы кодируем в наших воспоминаниях, и обеспечивает идеальный шаблон для построения последовательной структуры, которая составляет основу эпизодических воспоминаний.

Эти волны скоординированной деятельности не распространялись прямо от одного конца мозговой ткани к другому. Вместо этого волны распространяются по тонким синаптическим связям между клетками, которые общаются друг с другом в сети. Клетки могут общаться с другими клетками, находящимися далеко, и со своими ближайшими соседями. Анатомическая путаница затрудняет наблюдение скоординированной активности невооруженным глазом без предварительного обнаружения клеток на растровом графике.

Зебровые полосы, спираль и кольцо

Полосатый растровый график показывает медленные волны активности во всей сети за определенный период времени. «Если вы сложите растровый график в трубку так, чтобы верхняя и нижняя часть фигуры перекрывались, вы увидите, что диагональные полосы соединяются, образуя последовательную спираль», — объясняет Мэй-Бритт Мозер. «Спираль представляет собой сетевую активность с течением времени».

Вы увидите кольцо, если повернете спираль на 90 градусов. У всех ячеек сети есть установленное время срабатывания, распределенное по поверхности этого кольца. Сигнал проходит через всю кольцевую структуру, прежде чем вернуться в ту же ячейку.

«Это кольцо является признаком паттернов координации в форме повторяющихся последовательностей, которые мы обнаружили в MEC», — говорит Соледад Гонсало Коньо. «Другие области мозга имеют другие модели координации».

Возможно, ваш мозг уже оснащен этим кольцом еще до того, как вы испытаете что-либо в этом мире. Оно приобретено в ходе эволюции и может быть заложено в наших генах.

«Что меня больше всего волнует в этом открытии, так это перспектива того, что эти последовательности могут открыть новые способы понимания мозга», — говорит Гонсало Коньо. «Последующие открытия могут бросить вызов нашему представлению о координации в мозге . Клетки, которые настолько разные, по-видимому, все еще скоординированы и работают вместе в разных временных масштабах».

В тренде