Ученые выяснили, как мозг хранит информацию в памяти

Фото из открытых источников

Чтение предложения, следование за разговором, решение проблемы или принятие решения о дальнейших действиях — все это зависит от рабочей памяти. Она позволяет мозгу удерживать информацию в памяти в течение нескольких секунд, даже после исчезновения стимула, чтобы сравнивать ее с новой информацией, манипулировать ею и использовать для управления нашим поведением. Таким образом, она играет важную роль в переходе от восприятия к мышлению и от мышления к действию. 

Ученые доказали, что эта функция частично зависит от небольшой, глубоко расположенной структуры мозга — клауструма, нейроны которого помогают сохранять след информации в течение десятков секунд. Более того, подавление клауструма приводит к заметному снижению эффективности рабочей памяти. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, добавляют фрагмент к головоломке нейронных цепей, лежащих в основе мышления, что является ключевым вопросом для расстройств, при которых нарушается рабочая память, в частности, СДВГ и шизофрении.

Без рабочей памяти было бы трудно думать, понимать, принимать решения или адаптировать свое поведение. Она незаменима, но при этом чрезвычайно требовательна к мозгу. Сенсорная информация исчезает в считанные мгновения после окончания стимула, однако ее представление должно оставаться достаточно стабильным, чтобы быть использованным позже.

Как мозгу удается сохранять информацию, которой больше нет? Теперь мы знаем, что рабочая память зависит не от одной области мозга, а от взаимодействия обширных сетей, включающих, среди прочего, префронтальную кору, сенсорные области, теменную кору, таламус и другие подкорковые структуры. Однако то, как эти сети поддерживают представление информации во времени, остается в значительной степени неизвестным.

«Наше открытие может помочь лучше понять когнитивные расстройства, при которых нарушается рабочая память», - объясняют авторы исследования.

Чтобы расшифровать эти механизмы, группы исследователей под руководством Алана Карлтона, профессора кафедры фундаментальных нейронаук медицинского факультета, и Ивана Родригеса, профессора кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук, приступили к изучению роли клауструма в рабочей памяти. Эта тонкая структура расположена глубоко в головном мозге, между островковой корой и полосатым телом. 

«Ее нейроны связаны почти со всеми областями коры, что позволяет ей получать и влиять на информацию из самых разных сетей», — объясняет Алан Карлтон. 

Чтобы проверить это, учёные исследовали мышей, которые получали первую информацию — либо запах, либо тактильное воздействие. Затем им нужно было подождать несколько секунд, прежде чем получить второй стимул, и определить, идентичен ли он первому или отличается от него. В течение этого интервала первоначальный стимул исчезал. Однако для успешного выполнения задачи мышам необходимо было сохранить его внутреннее представление.

«Наши записи активности нейронов клауструма в режиме реального времени показали, что след первоначальной информации сохранялся на протяжении всего периода ожидания», — описывает Иван Родригес. «Далеко не статическая память, нейронная активность менялась со временем. Тем не менее, идентичность стимула оставалась достаточно заметной, чтобы её можно было расшифровать даже через 30 секунд».

Чтобы определить, действительно ли эта структура необходима для рабочей памяти или лишь дополняет её, учёные временно снизили активность нейронов клауструма. Примечательно, что команда использовала оптогенетику — метод, который делает определённые нейроны чувствительными к свету с помощью специфических белков, позволяя контролировать их активность с помощью оптического волокна в определённые моменты выполнения задачи. Когда эта нейронная активность была нарушена, показатели рабочей памяти у мышей снизились вдвое.

«Результат был одинаковым независимо от типа стимула — обонятельного или тактильного — и независимо от того, когда произошло нарушение в течение периода ожидания между двумя стимулами», — добавляет Алан Карлтон. «Более того, нарушение работы клауструма конкретно ухудшает способность использовать временно удерживаемую информацию для управления поведением, не влияя при этом на само восприятие».

Таким образом, рабочая память опирается на динамическую активность нейронных сетей, которые должны сохранять информацию, позволяя при этом мозгу продолжать воспринимать, думать и действовать. Клаустурм играет центральную роль в этой сложной архитектуре благодаря своим связям со многими задействованными кортикальными областями.

«Наше открытие может помочь нам лучше понять когнитивные расстройства, при которых нарушается рабочая память, такие как шизофрения или СДВГ», — объясняет Алан Карлтон. «Выявление мозговых цепей, которые позволяют сохранять информацию во времени, является важным шагом к пониманию того, как эти функции могут быть нарушены. Теперь нам необходимо определить, как клауструм взаимодействует с кортикальными сетями и как это взаимодействие сохраняет достоверность представлений, хранящихся в рабочей памяти».