Воспоминания помогают мозгу распознавать новые события, которые стоит запомнить | Журнал Кванта

Воспоминания — это тени прошлого, но также и фонарики для будущего.

Наши воспоминания ведут нас по миру, настраивают наше внимание и формируют то, что мы узнаем позже в жизни. Исследования на людях и животных показали, что воспоминания могут изменить наше восприятие будущих событий и то внимание, которое мы им уделяем. «Мы знаем, что прошлый опыт меняет вещи», — сказал Лорен Франк, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. «Как именно это происходит, не всегда ясно».

Новое исследование, опубликованное в журнале Наука развивается теперь предлагает часть ответа. Работая с улитками, исследователи изучили, как установившиеся воспоминания повышают вероятность формирования у животных новых долговременных воспоминаний о связанных будущих событиях, которые в противном случае они могли бы проигнорировать. Обнаруженный ими простой механизм сделал это, изменив восприятие этих событий улиткой.

Исследователи довели феномен того, как прошлое обучение влияет на будущее, «до одной клетки». Дэвид Гланцман, клеточный биолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, не участвовавший в исследовании. Он назвал это привлекательным примером «использования простого организма, чтобы попытаться понять довольно сложные поведенческие явления».

Хотя улитки — довольно простые существа, новое открытие приближает ученых к пониманию нейронной основы долговременной памяти у животных более высокого порядка, таких как люди.

Хотя мы часто не осознаем этой проблемы, формирование долговременной памяти — это «невероятно энергичный процесс». Майкл Кроссли, старший научный сотрудник Университета Сассекса и ведущий автор нового исследования. Такие воспоминания зависят от нашего создания более прочных синаптических связей между нейронами, и для этого клеткам мозга необходимо задействовать множество молекул. Следовательно, чтобы сохранить ресурсы, мозг должен уметь различать, когда формирование памяти стоит затрат, а когда нет. Это верно, будь то мозг человека или мозг «маленькой улитки с ограниченным энергетическим бюджетом», сказал он.

Во время недавнего видеозвонка Кроссли протянул одну такую ​​улитку размером с большой палец. Лимнея моллюска с мозгом, который он назвал «прекрасным». В то время как в человеческом мозгу 86 миллиардов нейронов, в мозгу улитки всего 20,000 10, но каждый из ее нейронов в XNUMX раз больше нашего и гораздо более доступен для изучения. Эти гигантские нейроны и их хорошо структурированные мозговые схемы сделали улиток любимым объектом нейробиологических исследований.

По словам Кроссли, крошечные собиратели также являются «замечательными учениками», которые могут что-то запомнить после одного контакта с этим. В новом исследовании исследователи заглянули глубоко в мозг улиток, чтобы выяснить, что происходит на неврологическом уровне, когда они приобретают воспоминания.

Задабривание воспоминаний

В своих экспериментах исследователи давали улиткам две формы тренировки: сильную и слабую. Во время интенсивной тренировки они сначала обрызгивали улиток водой со вкусом банана, которую улитки считали нейтральной по своей привлекательности: они проглатывают немного, но затем выплёвывают. Затем команда дала улиткам сахар, который они жадно сожрали.

Когда они проверили улиток на следующий день, улитки показали, что они научились ассоциировать вкус банана с сахаром из этого единственного опыта. Улитки, казалось, восприняли этот вкус как более желанный: они гораздо охотнее глотали воду.

Напротив, улитки не усвоили эту положительную ассоциацию после слабой тренировки, во время которой за ванной, приправленной кокосом, следовало лакомство с гораздо более разбавленным сахаром. Улитки продолжали как глотать, так и выплевывать воду.

До сих пор этот эксперимент был, по сути, улиточной версией знаменитых экспериментов Павлова, в которых собаки учились пускать слюни, когда слышали звук колокольчика. Но затем ученые посмотрели на то, что произошло, когда они дали улиткам сильную тренировку с банановым ароматизатором, а спустя несколько часов - слабую тренировку с кокосовым ароматизатором. Внезапно улитки тоже научились на слабых тренировках.

Когда исследователи изменили порядок и сначала провели слабую тренировку, она снова не смогла передать память. У улиток все еще формировались воспоминания о сильном обучении, но это не имело ретроактивного укрепляющего эффекта по отношению к предыдущему опыту. Замена ароматов, используемых в сильных и слабых тренировках, также не дала эффекта.

Ученые пришли к выводу, что сильное обучение подтолкнуло улиток к «обогащенному обучению» периоду, в котором порог формирования памяти был ниже, что позволило им научиться вещам, которые они в противном случае не могли бы получить (например, связь слабого обучения между вкусом и запахом). развести сахар). Такой механизм может помочь мозгу направить ресурсы на обучение в нужное время. Еда может сделать улиток более внимательными к потенциальным источникам пищи поблизости; столкновение с опасностью может обострить их чувствительность к угрозам.

Однако эффект на улиток был мимолетным. Обогащенный обучением период продолжался всего от 30 минут до четырех часов после интенсивной тренировки. После этого у улиток перестали формироваться долговременные воспоминания во время слабой тренировки, и не потому, что они забыли сильную тренировку — память о ней сохранялась месяцами.

Наличие критического окна для расширенного обучения имеет смысл, потому что, если процесс не отключится, «это может нанести вред животному», — сказал Кроссли. В таком случае животное может не только вкладывать слишком много ресурсов в обучение, но и может выучить ассоциации, вредные для его выживания.

Измененное восприятие

С помощью электродов исследователи выяснили, что происходит в мозгу улитки, когда она формирует долгосрочные воспоминания о тренировках. Происходят два параллельных изменения активности мозга. Первый кодирует саму память. Второй «исключительно связан с изменением восприятия животными других событий», сказал Кроссли. Он «меняет то, как он смотрит на мир, основываясь на своем прошлом опыте».

Они также обнаружили, что они могут вызвать такой же сдвиг в восприятии улиток, блокируя эффекты дофамина, химического вещества мозга, вырабатываемого нейроном, который активирует плевание. По сути, это отключило нейрон, отвечающий за отплевывание, и оставило нейрон, отвечающий за глотание, постоянно включенным. Опыт имел тот же переносной эффект, что и сильная тренировка в предыдущих экспериментах: через несколько часов у улиток сформировалась долговременная память о слабой тренировке.

Исследователи тщательно и элегантно намечают процесс от «поведения до электрофизиологических основ этого взаимодействия между прошлыми и новыми воспоминаниями». Педро Джейкоб, научный сотрудник Оксфордского университета, не участвовавший в исследовании. «Знать, как механистически это происходит, интересно, потому что это, вероятно, сохраняется у разных видов».

Фрэнк, однако, не полностью убежден, что неспособность улиток глотать ароматизированную воду после слабой тренировки означает, что они не сохранили о ней памяти. По его словам, вы можете иметь память, но не действовать на нее, поэтому для выявления этого различия могут потребоваться дополнительные эксперименты.

По словам Гланцмана, механизмы, лежащие в основе обучения и памяти, удивительно похожи у моллюсков и млекопитающих, таких как люди. Насколько известно авторам, этот точный механизм не был показан у людей, сказал Кроссли. «Это может быть широко сохранившаяся особенность, и поэтому она заслуживает дальнейшего внимания», — сказал он.

По словам Гланцмана, было бы интересно изучить, можно ли сделать сдвиг в восприятии более постоянным. Он подозревает, что это могло бы быть возможным, если бы улиткам давали неприятный стимул, что-то, что вызывает у них тошноту, а не что-то, что им нравится.

На данный момент Кроссли и его команде интересно, что происходит в мозгу этих улиток, когда они выполняют несколько действий, а не только открывают или закрывают рот. «Это довольно очаровательные существа, — сказал Кроссли. «Вы действительно не ожидаете, что эти животные смогут выполнять такие сложные процессы».

Примечание редактора: Лорен Франк — исследователь Инициативы по исследованию аутизма (SFARI) Фонда Саймонса. Фонд Саймонса также финансирует Quanta как редакционно независимый журнал. Решения о финансировании не влияют на наше страховое покрытие.