Когда вы держите в уме предложение, которое только что прочитали, или номер телефона, который собираетесь набрать, вы задействуете важную мозговую систему, известную как рабочая память.
В течение последних нескольких десятилетий нейробиологи полагали, что по мере того, как информация хранится в рабочей памяти, клетки мозга, связанные с этой информацией, непрерывно срабатывают. Однако новое исследование Массачусетского технологического института опровергло эту теорию, вместо этого обнаружив, что, поскольку информация хранится в рабочей памяти, нейроны срабатывают спорадическими, скоординированными всплесками.
По словам исследователей, эти циклические всплески могут помочь мозгу одновременно удерживать в рабочей памяти несколько элементов.
"Имея эти разные пакеты, приходящие в разные моменты времени, вы можете хранить в памяти разные элементы отдельно друг от друга," – говорит Эрл Миллер, профессор Пикауэра из Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института и факультета мозговых и когнитивных наук.
Миллер – старший автор исследования, опубликованного 17 марта в журнале Neuron. Микаэль Лундквист, постдок Института Пикауэра, и Йонас Роуз, ныне работающий в Тюбингенском университете в Германии, являются ведущими авторами статьи.
Всплески активности
Начиная с начала 1970-х годов, эксперименты показали, что, когда элемент хранится в рабочей памяти, подмножество нейронов срабатывает непрерывно. Однако эти и последующие исследования рабочей памяти усредняли активность мозга за секунды или даже минуты выполнения задачи, говорит Миллер.
"Проблема в том, что мозг работает не так," он говорит. "Мы более внимательно изучали эту деятельность, не усредняя по времени, а наблюдая от момента к моменту. Это показало, что происходит нечто более сложное."
Миллер и его коллеги записали активность нейронов у животных, поскольку им показали последовательность из трех цветных квадратов, каждый в разном месте. Затем квадраты были показаны снова, но один из них изменил цвет. Животных учили реагировать, когда они замечали квадрат, который изменил цвет – задача, требующая от них удерживать все три квадрата в рабочей памяти в течение примерно двух секунд.
Исследователи обнаружили, что поскольку элементы хранятся в рабочей памяти, ансамбли нейронов префронтальной коры активны короткими всплесками, и эти всплески происходят только в тех местах записи, в которых хранилась информация о квадратах. Всплеск был наиболее частым в начале задачи, когда информация была закодирована, и в конце, когда считывались воспоминания.
Заполнение реквизитов
Полученные данные хорошо согласуются с моделью, которую Лундквист разработал в качестве альтернативы модели устойчивой активности как нейронной основы рабочей памяти. Согласно новой модели, информация хранится в быстрых изменениях синаптической силы нейронов. Короткие всплески служат для "отпечаток" информация в синапсах этих нейронов, и всплески периодически повторяются, чтобы усилить информацию, пока это необходимо.
Всплески создают волны скоординированной активности на гамма-частоте (от 45 до 100 герц), подобные тем, которые наблюдались в данных. Эти волны возникают спорадически, с промежутками между ними, и каждый ансамбль нейронов, кодирующий определенный элемент, производит разные всплески гамма-волн. "Это как отпечаток пальца," Лундквист говорит.
Когда эта активность усредняется по нескольким повторным испытаниям, она выглядит как плавная кривая непрерывной активности, как предполагали более старые модели рабочей памяти. Однако новый способ измерения и анализа данных командой Массачусетского технологического института предполагает, что полная картина сильно отличается.
"Как будто в течение многих лет вы слушаете музыку из квартиры своего соседа, и все, что вы можете слышать, – это ударная басовая партия. Вам не хватает всех деталей, но если вы подойдете к нему достаточно близко, то увидите, что происходит гораздо больше," Миллер говорит.
Полученные данные предполагают, что было бы целесообразно искать такого рода циклическую активность в других когнитивных функциях, таких как внимание, говорят исследователи. Колебания, подобные тем, которые наблюдаются в этом исследовании, могут помочь мозгу упаковать информацию и хранить ее отдельно, чтобы разные фрагменты информации не мешали друг другу.
"Ваш мозг работает очень спорадически, периодически, с большим количеством пробелов между информацией, которую он представляет," Миллер говорит. "Разум скрывает все пробелы и пузырящуюся динамику и дает нам впечатление, что все происходит гладко, тогда как наш мозг на самом деле работает очень периодически, посылая пакеты информации вокруг."