Исследователи UCLA впервые измерили активность области мозга, которая, как известно, участвует в обучении, памяти и болезни Альцгеймера во время сна. Они обнаружили, что эта часть мозга ведет себя так, как будто что-то запоминает, даже под наркозом, и это открытие противоречит традиционным теориям о консолидации памяти во время сна.
Исследовательская группа одновременно измеряла активность отдельных нейронов из нескольких частей мозга, участвующих в формировании памяти. Методика позволила им определить, какая область мозга активировала другие области мозга и как эта активация распространялась, сказал старший автор исследования Майанк Р. Мехта, профессор нейрофизики на факультетах неврологии, нейробиологии, физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
В частности, Мехта и его команда изучили три связанных области мозга у мышей – новый мозг или неокортекс, старый мозг или гиппокамп и энторинальную кору, промежуточный мозг, который соединяет новый и старый мозги. В то время как предыдущие исследования предполагали, что диалог между старым и новым мозгом во время сна имеет решающее значение для формирования памяти, исследователи не исследовали вклад энторинальной коры в этот разговор, который, как оказалось, изменил правила игры, сказал Мехта. Его команда обнаружила, что энторинальная кора головного мозга демонстрирует так называемую постоянную активность, которая, как считается, опосредует рабочую память во время бодрствования, например, когда люди уделяют пристальное внимание, чтобы временно вспомнить вещи, такие как вспоминание номера телефона или следование инструкциям.
"Большой сюрприз здесь в том, что такая постоянная активность происходит во время сна, почти все время." Мехта сказал. "Эти результаты совершенно новы и удивительны. Фактически, эта постоянная активность, напоминающая рабочую память, происходила в энторинальной коре даже под наркозом."
Исследование появится в октябре. 7, 2012 в раннем онлайн-выпуске журнала Nature Neuroscience.
По словам Мехты, полученные результаты важны, потому что люди проводят треть своей жизни во сне, а недостаток сна приводит к неблагоприятным последствиям для здоровья, включая проблемы с обучением и памятью.
Ранее было показано, что неокортекс и гиппокамп "разговаривать" друг к другу во время сна, и считается, что этот разговор играет решающую роль в установлении воспоминаний или консолидации памяти. Однако никто не смог интерпретировать разговор.
"Когда вы ложитесь спать, вы можете сделать комнату темной и тихой, и, хотя сенсорная информация отсутствует, мозг по-прежнему очень активен," Мехта сказал. "Мы хотели знать, почему это происходит и что разные части мозга говорят друг другу."
Мехта и его команда разработали чрезвычайно чувствительную систему мониторинга, которая позволяла им отслеживать активность нейронов из каждой из трех целевых частей мозга одновременно, включая активность одного нейрона. Это позволяло им расшифровать точные коммуникации, даже когда нейроны казались тихими. Затем они разработали сложный математический анализ, чтобы расшифровать сложный разговор.
Во время сна неокортекс переходит в режим медленных волн примерно на 90 процентов этого времени. В течение этого периода его активность медленно колеблется между активным и неактивным состояниями примерно раз в секунду. Мехта и его команда сосредоточились на энторинальной коре, которая состоит из многих частей.
Внешняя часть энторинальной коры отражала неокортикальную активность. Однако внутренняя часть вела себя иначе. Когда неокортекс становился неактивным, нейроны внутренней энторинальной коры оставались в активном состоянии, как если бы они вспоминали что-то, что недавно было в неокортексе "сказал," явление, называемое спонтанной постоянной активностью. Кроме того, они обнаружили, что когда внутренняя часть энторинальной коры становится спонтанно устойчивой, это побуждает нейроны гиппокампа становиться очень активными. С другой стороны, когда неокортекс был активен, гиппокамп становился тише. Эти данные дали четкую интерпретацию разговора.
"Во время сна три части мозга очень сложным образом разговаривают друг с другом," он сказал. "Энторинальные нейроны проявляли постоянную активность, ведя себя так, как будто они что-то вспоминали, даже под наркозом, когда мыши ничего не чувствовали, не ощущали запаха и не слышали. Примечательно, что эта постоянная активность иногда длилась более минуты – это огромный временной интервал для мозговой активности, которая обычно изменяется в масштабе одной тысячной секунды."
Полученные данные ставят под сомнение теорию мозговой коммуникации во время сна, в которой предполагается, что гиппокамп будет разговаривать с неокортексом или управлять им. Выводы Мехты вместо этого указывают на то, что в этом сложном диалоге есть третий ключевой участник, энторинальная кора, и что неокортекс управляет энторинальной корой, которая, в свою очередь, ведет себя так, как будто она что-то запоминает. Это, в свою очередь, приводит в движение гиппокамп, в то время как другие паттерны активности отключают его.
"Это совершенно новый взгляд на теорию консолидации памяти. Мы обнаружили, что в этот процесс вовлечен новый игрок, и это имеет огромное влияние," Мехта сказал. "И то, что делает этот третий игрок, управляется неокортексом, а не гиппокампом. Это говорит о том, что все, что происходит во время сна, происходит не так, как мы думали. Вовлечено больше игроков, поэтому диалог намного сложнее, а направление общения противоположно тому, что предполагалось."
Мехта предполагает, что этот процесс происходит во время сна как способ разгрузить воспоминания и удалить информацию, которая была обработана в течение дня, но не имеет отношения к делу. Это приводит к тому, что важные воспоминания становятся более заметными и доступными. Примечательно, что болезнь Альцгеймера начинается в энторинальной коре головного мозга, и у пациентов наблюдается нарушение сна, поэтому выводы Мехты могут иметь значение в этой области.
Для этого исследования Мехта объединилась с Томасом Ханом и Свеном Берберихом из Гейдельбергского университета в Германии и Института медицинских исследований Макса Планка и Джеймсом МакФарландом из Университета Брауна и физического факультета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В дальнейшем команда изучит эту активность мозга, чтобы раскрыть механизмы, стоящие за ней, и определить, влияет ли она на последующие поведенческие характеристики. Эти результаты и связанные с ними выводы можно найти на сайте www.физика.ucla.edu / ~ mayank .
"Эти результаты являются первым прямым доказательством постоянной активности нейронов медиального энторинального слоя коры in vivo и показывают ее вклад в кортико-гиппокампальные взаимодействия, которые могут быть задействованы в рабочей памяти и обучении долгим поведенческим последовательностям во время поведения, а также в консолидации памяти во время сна," в исследовании говорится.