Логин   Пароль      Забыли пароль?   Регистрация
       
Поделиться:

Новости

Сон улучшает память с меньшими затратами энергии

9 мая 2024 - Администратор
article1535.jpg
Ключевые факты:
 
  1. Инновационный подход к моделированию: исследователи разработали математическую модель, которая упрощает сложные взаимодействия в мозге до двух переменных, что делает изучение формирования памяти более простым.
  2. Энергоэффективная обработка памяти: исследование идентифицирует механизм, с помощью которого мозг может поддерживать состояния памяти с меньшими затратами энергии, что контрастирует с высокими затратами энергии, обычно связанными с активными процессами памяти.
  3. Потенциал для ранней диагностики: Понимание обработки памяти в энторинальной коре может дать ключ к ранней диагностике болезни Альцгеймера и других форм деменции.
 
Источник: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
 
Исследователи здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили механизм, который создает воспоминания, одновременно снижая метаболические затраты, даже во время сна. Эта эффективная память возникает в той части мозга, которая имеет решающее значение для обучения и памяти и где начинается болезнь Альцгеймера.  
 
Открытие опубликовано в журнале  Nature Communications
 
Звучит знакомо: вы идете на кухню за чем-то, но, придя туда, забываете, чего хотели. Это у вас сбой в рабочей памяти. Рабочая память определяется как запоминание некоторой информации в течение короткого периода времени, пока вы занимаетесь другими делами.
 
Мы используем оперативную память практически постоянно. У пациентов с болезнью Альцгеймера и деменцией наблюдается дефицит рабочей памяти, который также проявляется в легких когнитивных нарушениях (MCI). Поэтому значительные усилия были направлены на понимание механизмов, с помощью которых обширные сети нейронов мозга создают рабочую память.
 
Во время задач на рабочую память внешний слой мозга, известный как неокортекс, отправляет сенсорную информацию в более глубокие области мозга, включая центральную область, называемую энторинальной корой, которая имеет решающее значение для формирования воспоминаний.
 
Нейроны энторинальной коры головного мозга демонстрируют сложный набор реакций, которые долгое время озадачивали ученых и привели к Нобелевской премии по медицине 2014 года, однако механизмы, управляющие этой сложностью, неизвестны. Энторинальная кора — это место, где начинает формироваться болезнь Альцгеймера.
 
 «Поэтому очень важно понять, какое волшебство происходит в кортико-энторинальной сети, когда неокортекс обращается к энторинальной коре, которая превращает ее в рабочую память.
 
«Это может обеспечить раннюю диагностику болезни Альцгеймера и связанной с ней деменции, а также легких когнитивных нарушений», — сказал автор-корреспондент Маянк Мехта, нейрофизик и глава Центра нейрофизики им. В. Кека и Центра физики жизни в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. 
 
Чтобы решить эту проблему, Мехта и его соавторы разработали новый подход: «математический микроскоп». 
 
В мире физики математические модели, от Кеплера до Ньютона и Эйнштейна, широко используются для выявления удивительных вещей, которые мы никогда не видели и даже не представляли, таких как внутреннее устройство субатомных частиц и внутренняя часть черной дыры.
 
Математические модели также используются в науках о мозге, но их предсказания не воспринимаются так серьезно, как в физике. Причина в том, что в физике предсказания математических теорий проверяются количественно, а не только качественно.  
 
Обычно считается, что такие количественно точные экспериментальные проверки математических теорий в биологии невозможны, поскольку мозг намного сложнее, чем физический мир.
 
Математические теории в физике очень просты, включают очень мало свободных параметров и, следовательно, точные экспериментальные проверки. Напротив, в мозгу миллиарды нейронов и триллионы связей — математический кошмар, не говоря уже о высокоточном микроскопе. 
 
«Чтобы решить эту, казалось бы, невыполнимую задачу по разработке простой теории, которая все еще может с высокой точностью объяснить экспериментальные данные динамики памяти in vivo, мы предположили, что кортико-энторинальный диалог и магия памяти будут происходить даже тогда, когда испытуемые спят. или под наркозом», — сказал доктор Кришна Чоудхари, ведущий автор исследования.
 
«Точно так же, как автомобиль ведет себя как автомобиль, когда он работает на холостом ходу или движется со скоростью 70 миль в час». 
 
Затем исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделали еще одно важное предположение: динамику всей коры и энторинальной коры во время сна или анестезии можно уловить всего двумя нейронами.
 
Эти предположения свели проблему взаимодействий миллиардов нейронов к двум свободным переменным — силе входных сигналов от неокортекса к энторинальной коре и силе рекуррентных связей внутри энторинальной коры.
 
Хотя это делает проблему математически разрешимой, возникает очевидный вопрос: правда ли это? 
 
«Если мы проверим нашу теорию количественно на данных in vivo, то это будут просто интересные математические игры, а не четкое понимание магии создания памяти», — сказал Мехта. 
 
Решающие экспериментальные проверки этой теории потребовали сложных экспериментов доктора Томаса Хана, соавтора, который сейчас является профессором Базельского университета и клиническим психологом.  
 
«Энторинальная кора представляет собой сложную систему. Чтобы по-настоящему проверить теорию, нам нужны были экспериментальные методы, которые могли бы не только измерить нейронную активность с высокой точностью, но и определить точную анатомическую идентичность нейрона», — сказал Хан.  
 
Хан и доктор Свен Берберих, также соавтор, измерили мембранный потенциал идентифицированных нейронов энторинальной коры in vivo, используя технику фиксации целых клеток, а затем использовали анатомические методы для идентификации нейрона. Одновременно они измерили активность теменной коры — части неокортекса, которая посылает сигналы в энторинальную кору. 
 
«Математическая теория и сложные данные in vivo необходимы и интересны, но нам пришлось решить еще одну проблему — как сопоставить эту простую теорию со сложными нейронными данными?» — сказал Мехта.  
 
«Это потребовало длительного периода разработки, чтобы создать «математический микроскоп», который мог бы напрямую выявить внутреннюю работу нейронов, связанных с памятью», — сказал Чоудхари. «Насколько нам известно, раньше этого не делалось». 
 
Авторы заметили, что подобно тому, как океанская волна формируется, а затем падает на береговую линию, сигналы от неокортекса колеблются между состояниями «включено» и «выключено» через определенные промежутки времени, пока человек или животное спят.
 
Между тем, энторинальная кора действовала как пловец в воде, который может двигаться вверх, когда волна формируется, а затем вниз, когда она отступает. Данные показали это, и модель это тоже уловила.
 
Но, используя это простое сопоставление, модель обрела собственную жизнь и открыла новый тип состояния памяти, известный как спонтанное постоянное бездействие, сказал Мехта. 
 
«Это как если бы пришла волна, и энторинальная кора сказала: «Волны нет!» Я запомню, что недавно волны не было, поэтому проигнорирую текущую волну и вообще не буду реагировать». Это упорное бездействие», — сказал Мехта.
 
«С другой стороны, постоянная активность возникает, когда кортикальная волна исчезает, но энторинальные нейроны запоминают, что волна была совсем недавно, и продолжают катиться вперед». 
 
Хотя многие теории рабочей памяти показали наличие постоянной активности, которую обнаружили авторы, постоянная бездеятельность была тем, что предсказывала модель, и никогда раньше не наблюдалось.  
 
«Самое интересное в постоянном бездействии то, что оно практически не требует энергии, в отличие от постоянной активности, которая требует много энергии», — сказал Мехта, — «даже лучше, сочетание постоянной активности и бездействия более чем удваивает объем памяти, одновременно сокращая затраты метаболической энергии вдвое уменьшаются». 
 
«Все это звучало слишком хорошо, чтобы быть правдой, поэтому мы действительно довели наш математический микроскоп до предела, в режиме, в котором он не был предназначен для работы», — сказал доктор Чоудхари. «Если бы микроскоп был прав, он продолжал бы прекрасно работать даже в необычных ситуациях». 
 
«Математический микроскоп сделал дюжину предсказаний, не только об энторинальном, но и о многих других областях мозга. К нашему полному удивлению, математический микроскоп работал каждый раз», — продолжил Мехта.
 
«Такое почти идеальное совпадение между предсказаниями математической теории и экспериментами является беспрецедентным в нейробиологии. 
 
«Эта математическая модель, которая идеально соответствует экспериментам, представляет собой новый микроскоп», — продолжил Мехта.
 
«Оно открывает то, что без него не смог бы увидеть ни один существующий микроскоп. Независимо от того, сколько нейронов вы отобразили, это не выявило бы ничего из этого. 
 
«На самом деле, нарушения обмена веществ являются общей чертой многих нарушений памяти», — сказал Мехта. Лаборатория Мехты сейчас продолжает эту работу, чтобы понять, как формируется сложная рабочая память и что происходит в энторинальной коре головного мозга при болезни Альцгеймера, деменции и других расстройствах памяти». 

 

Рейтинг: 0 Голосов: 0 78 просмотров
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Добавить комментарий