Дослідники UCLA Health виявили процес, який запам’ятовує, одночасно знижуючи метаболічні витрати, навіть під час сну. Ця ефективна пам’ять знаходиться в області мозку, яка є важливою для навчання та пам’яті, звідки також бере початок хвороба Альцгеймера. Відкриття опубліковано в журналі Nature Communications.
Це звучить знайомо: ви йдете на кухню, щоб щось принести, але, прийшовши туди, ви забуваєте, чого хотіли. Це збій вашої робочої пам’яті. Робоча пам’ять визначається як запам’ятовування деякої інформації протягом короткого періоду часу, поки ви займаєтеся іншими справами. Ми використовуємо робочу пам’ять практично весь час. Пацієнти з хворобою Альцгеймера та деменцією мають дефіцит робочої пам’яті, а також це проявляється в легких когнітивних порушеннях (MCI). Тому значні зусилля були спрямовані на розуміння механізмів, за допомогою яких величезні мережі нейронів у мозку створюють робочу пам’ять.
Роль енторинальної кори
Під час виконання завдань робочої пам’яті зовнішній шар мозку, відомий як неокортекс, надсилає сенсорну інформацію в глибші відділи мозку, включаючи центральну область, яка називається енторинальною корою, яка має вирішальне значення для формування спогадів. Нейрони в енторинальній корі демонструють складний набір реакцій, які довгий час спантеличили вчених і призвели до Нобелівської премії з медицини 2014 року, але механізми, що керують цією складністю, невідомі. Енторинальна кора — це місце, де починає формуватися хвороба Альцгеймера.
«Тому дуже важливо зрозуміти, яка магія відбувається в кортико-енторинальній мережі, коли неокортекс спілкується з енторинальною корою, яка перетворює її на робочу пам’ять. Це може забезпечити ранню діагностику хвороби Альцгеймера та пов’язаної з нею деменції, а також легких когнітивних розладів», – сказав автор-кореспондент Маянк Мехта, нейрофізик і керівник Центру нейрофізики В. М. Кека та Центру фізики життя в UCLA.
Щоб вирішити цю проблему, Мехта та його співавтори винайшли новий підхід: «математичний мікроскоп».
У світі фізики зазвичай використовуються математичні моделі, від Кеплера до Ньютона та Ейнштейна, щоб розкрити дивовижні речі, яких ми ніколи не бачили і навіть не уявляли, наприклад, внутрішню роботу субатомних частинок і внутрішню частину чорної діри . Математичні моделі також використовуються в науках про мозок, але їхні прогнози не сприймаються так серйозно, як у фізиці. Причина в тому, що у фізиці прогнози математичних теорій перевіряються кількісно, а не тільки якісно.
Зазвичай вважають, що такі кількісно точні експериментальні перевірки математичних теорій є нездійсненними в біології, оскільки мозок значно складніший за фізичний світ. Математичні теорії у фізиці дуже прості, містять дуже мало вільних параметрів і, отже, точні експериментальні перевірки. Навпаки, мозок має мільярди нейронів і трильйони зв’язків, математичний кошмар, не кажучи вже про високоточний мікроскоп.
Спрощення складних систем
«Щоб вирішити це, здавалося б, неможливе завдання розробки простої теорії, яка все ще може пояснити експериментальні дані динаміки пам’яті in vivo з високою точністю, ми припустили, що кортико-енторинальний діалог і магія пам’яті відбуватимуться, навіть коли суб’єкти сплять, або під наркозом», – сказав доктор Крішна Чоудхарі, провідний автор дослідження. «Так само, як автомобіль поводиться як автомобіль, коли він працює на холостому ходу або рухається зі швидкістю 70 миль на годину».
Тоді дослідники з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі зробили ще одне важливе припущення: динаміка всієї кори та енторинальної кори під час сну чи анестезії може бути вловлена лише двома нейронами. Ці припущення звели проблему мільярдів взаємодій нейронів лише до двох вільних змінних – потужності вхідних даних від неокортексу до енторінальної кори та сили повторюваних зв’язків усередині енторінальної кори. Хоча це робить проблему математично вирішуваною, виникає очевидне запитання – чи це правда?
«Якщо ми перевіримо нашу теорію кількісно на даних in vivo, то це просто цікаві математичні ігри, а не чітке розуміння магії створення пам’яті», — сказав Мехта.
Вирішальні експериментальні перевірки цієї теорії вимагали складних експериментів доктора Томаса Хана, співавтора, який зараз є професором Базельського університету та клінічним психологом.
«Енторинальна кора — це складний контур. Щоб справді перевірити теорію, нам потрібні були експериментальні методи, які можуть не тільки виміряти нейронну активність з високою точністю, але й визначити точну анатомічну приналежність нейрона», — сказав Хан.
Хан і д-р Свен Берберіх, також співавтор, виміряли мембранний потенціал ідентифікованих нейронів енторинальної кори in vivo, використовуючи техніку затискання цілої клітини, а потім використали анатомічні методи для ідентифікації нейрона. Одночасно вони вимірювали активність тім’яної кори, частини неокортекса, яка надсилає дані до енторинальної кори.
«Математична теорія та складні дані in vivo необхідні і круті, але нам довелося вирішити ще одну проблему — як відобразити цю просту теорію на складних нейронних даних?» сказав Мехта.
«Це потребував тривалого періоду розробки, щоб створити «математичний мікроскоп», який може безпосередньо розкривати внутрішню роботу нейронів, коли вони створюють пам’ять», — сказав Чоудхарі. «Наскільки нам відомо, цього раніше не робилося».
Відкриття нових станів пам’яті
Автори помітили, що, подібно до океанської хвилі, яка формується, а потім розбивається об берег, сигнали від неокортексу коливаються між увімкненим і вимкненим станами в інтервалах, поки людина або тварина спить. Тим часом, енторинальна кора діяла як плавець у воді, який може рухатися вгору, коли хвилі, а потім опускатися, коли вона відступає. Дані показали це, і модель також зафіксувала це. Але використовуючи цей простий збіг, модель потім ожила власним життям і виявила новий тип стану пам’яті, відомий як спонтанна постійна бездіяльність, сказав Мехта.
«Це ніби приходить хвиля, і енторинальна кора каже: «Хвилі немає! Я збираюся згадати, що нещодавно не було жодної хвилі, тому я збираюся ігнорувати цю поточну хвилю та взагалі не відповідати». Це постійна бездіяльність», – сказав Мехта. «З іншого боку, постійна активність виникає, коли кортикальна хвиля зникає, але енторинальні нейрони пам’ятають, що хвиля була зовсім недавно, і продовжують котитися вперед».
Хоча багато теорій робочої пам’яті показали наявність постійної активності, яку виявили автори, постійна бездіяльність була тим, що передбачила модель і ніколи раніше не спостерігалася.
«Класна частина постійної бездіяльності полягає в тому, що вона практично не потребує енергії, на відміну від постійної активності, яка забирає багато енергії», — сказав Мехта. вартість метаболічної енергії вдвічі».
«Все це звучало надто добре, щоб бути правдою, тому ми дійсно довели наш математичний мікроскоп до межі, до режиму, коли він не був розроблений для роботи», — сказав доктор Чоудхарі. «Якби мікроскоп був правильний, він продовжував би ідеально працювати навіть у незвичних ситуаціях».
«Математичний мікроскоп зробив дюжину прогнозів не лише щодо енториналу, а й багатьох інших областей мозку. На наше повне здивування, математичний мікроскоп працював щоразу», — продовжив Мехта. «Такий майже ідеальний збіг між прогнозами математичної теорії та експериментами є безпрецедентним у нейронауці.
«Ця математична модель, яка ідеально поєднується з експериментами, є новим мікроскопом», — продовжив Мехта. «Це відкриває те, що без нього не міг би побачити жоден існуючий мікроскоп. Незалежно від того, скільки нейронів ви відобразили, це не виявить нічого з цього.
«Насправді метаболічні порушення є загальною рисою багатьох розладів пам’яті», — сказав Мехта. Зараз лабораторія Мехти продовжує цю роботу, щоб зрозуміти, як формується складна робоча пам’ять і що відбувається не так в енторинальній корі під час хвороби Альцгеймера, деменції та інших розладів пам’яті».
