Спогади допомагають мозку розпізнавати нові події, які варто запам'ятати | Журнал Quanta

Спогади - це тіні минулого, але водночас і ліхтарики для майбутнього.

Наші спогади ведуть нас світом, налаштовують нашу увагу та формують те, що ми дізнаємося пізніше в житті. Дослідження на людях і тваринах показали, що спогади можуть змінити наше сприйняття майбутніх подій і увагу, яку ми їм приділяємо. «Ми знаємо, що минулий досвід все змінює», — сказав він Лорен Франк, нейробіолог з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско. «Як саме це відбувається, не завжди зрозуміло».

Нове дослідження, опубліковане в журналі Наука розвивається тепер пропонує частину відповіді. Працюючи з равликами, дослідники досліджували, як усталені спогади спонукали тварин формувати нові довгострокові спогади про відповідні майбутні події, які вони інакше могли б проігнорувати. Простий механізм, який вони виявили, зробив це, змінивши сприйняття равликом тих подій.

Дослідники розглянули феномен того, як минуле навчання впливає на майбутнє, «до однієї клітини». Девід Гланцман, клітинний біолог з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, який не брав участі в дослідженні. Він назвав це привабливим прикладом «використання простого організму, щоб спробувати зрозуміти поведінкові явища, які є досить складними».

Хоча равлики є досить простими істотами, нове розуміння наближає вчених до розуміння нейронної основи довготривалої пам’яті у тварин вищого порядку, таких як люди.

Хоча ми часто не усвідомлюємо проблеми, формування довготривалої пам’яті є «неймовірно енергійним процесом», сказав Майкл Кросслі, старший науковий співробітник Університету Сассекса та провідний автор нового дослідження. Такі спогади залежать від того, як ми створюємо міцніші синаптичні зв’язки між нейронами, і для цього клітинам мозку потрібно залучити багато молекул. Тому, щоб зберегти ресурси, мозок повинен бути здатний розрізняти, коли формування пам’яті коштує, а коли ні. Це правда, чи це мозок людини, чи мозок «маленького равлика з обмеженим енергетичним бюджетом», сказав він.

Під час нещодавнього відеодзвінка Крослі простягнув одного такого равлика, розміром з великий палець Лімнея молюска з мозком, який він назвав «красивим». У той час як людський мозок має 86 мільярдів нейронів, у равлика лише 20,000 10, але кожен із його нейронів у XNUMX разів більший за наш і набагато доступніший для вивчення. Ці гігантські нейрони та їх добре відображені схеми мозку зробили равликів улюбленим об’єктом нейробіологічних досліджень.

Кросслі сказав, що крихітні фуражири також «чудово навчаються», вони можуть запам’ятати щось після одноразового контакту. У новому дослідженні дослідники глибоко зазирнули в мозок равликів, щоб з’ясувати, що відбувалося на неврологічному рівні, коли вони накопичували спогади.

Зворушливі спогади

У своїх експериментах дослідники давали равликам дві форми навчання: сильну та слабку. Під час інтенсивних тренувань вони спочатку обприскали равликів водою з банановим смаком, яку равлики вважали нейтральною: вони ковтали трохи, але потім випльовували. Потім команда дала равликам цукор, який вони жадібно поглинули.

Коли вони перевірили равликів через день, равлики показали, що вони навчилися пов’язувати смак банана з цукром завдяки цьому єдиному досвіду. Равлики, здавалося, сприймали смак як більш бажаний: вони були набагато охочішими ковтати воду.

Навпаки, равлики не засвоїли цю позитивну асоціацію через слабке тренування, під час якого після ванни з ароматом кокоса слідував набагато більш розбавлений цукор. Равлики продовжували як ковтати, так і випльовувати воду.

Поки що експеримент був по суті равликовою версією відомих експериментів Павлова з кондиціонування, під час яких собаки вчилися пускати слину, коли чули звук дзвінка. Але потім вчені подивилися, що сталося, коли вони дали равликам потужне тренування з банановим ароматизатором, а через кілька годин – слабке тренування з кокосовим ароматизатором. Раптом равлики теж навчилися слабкого навчання.

Коли дослідники змінили порядок і спочатку провели слабке навчання, це знову не змогло надати пам’яті. Равлики все ще сформували спогад про сильні тренування, але це не мало ретроактивного зміцнюючого ефекту на попередній досвід. Зміна ароматів, які використовувалися в сильних і слабких тренуваннях, також не мала ефекту.

Вчені прийшли до висновку, що інтенсивне навчання підштовхнуло равликів до періоду «насиченого навчання», під час якого поріг формування пам’яті був нижчим, що дозволило їм навчитися речам, які вони інакше б не мали (наприклад, зв’язку між смаком і смаком при слабкому навчанні). розведений цукор). Такий механізм може допомогти мозку спрямувати ресурси на навчання у слушний час. Їжа може зробити равликів більш уважними до потенційних джерел їжі поблизу; кисті з небезпекою можуть загострити їхню чутливість до загроз.

Однак вплив на равликів був швидкоплинним. Насичений період навчання тривав лише від 30 хвилин до чотирьох годин після інтенсивного тренування. Після цього равлики перестали формувати довгострокові спогади під час слабкого тренування, і це не тому, що вони забули про своє сильне тренування — пам’ять про це зберігалася місяцями.

Наявність критичного вікна для покращеного навчання має сенс, оскільки якщо процес не вимкнеться, «це може завдати шкоди тварині», — сказав Кросслі. Тоді тварина не тільки може вкладати занадто багато ресурсів у навчання, але й навчитися асоціаціям, шкідливим для її виживання.

Змінене сприйняття

Шляхом зондування електродами дослідники з’ясували, що відбувається в мозку равлика, коли він формує довгострокові спогади про тренування. У мозковій діяльності відбуваються дві паралельні зміни. Перший кодує саму пам'ять. Другий «чисто залучений до зміни сприйняття твариною інших подій», сказав Кросслі. Воно «змінює погляди на світ на основі свого минулого досвіду».

Вони також виявили, що вони можуть викликати такий самий зсув у сприйнятті равликів, блокуючи вплив дофаміну, хімічної речовини мозку, що виробляється нейроном, який активує пльовку. По суті, нейрон для випльовування вимкнувся, а нейрон для ковтання залишився постійно включеним. Цей досвід мав той самий ефект перенесення, що й сильне тренування в попередніх експериментах: через кілька годин у равликів сформувалася довготривала пам’ять про слабке тренування.

Дослідники ретельно й елегантно описують процес від «поведінки до електрофізіологічної основи цієї взаємодії між минулими та новими спогадами», — сказав він. Педро Джейкоб, постдокторант Оксфордського університету, який не брав участі в дослідженні. «Цікаво знати, як це відбувається механічно, тому що це, ймовірно, зберігається в різних видів».

Френк, однак, не зовсім впевнений, що те, що равлики не змогли проковтнути ароматизовану воду після слабкого навчання, означає, що вони не зберегли про це пам’яті. За його словами, ви можете мати пам’ять, але не діяти відповідно до неї, тому для визначення такого розрізнення можуть знадобитися подальші експерименти.

За словами Гланцмана, механізми навчання та пам’яті напрочуд схожі у молюсків і ссавців, таких як люди. Наскільки відомо авторам, цей точний механізм не був показаний на людях, сказав Крослі. «Це може бути в основному збереженою особливістю, і тому вона заслуговує на подальшу увагу», — сказав він.

Було б цікаво вивчити, чи можна зробити зміну у сприйнятті більш постійною, сказав Гланцман. Він підозрює, що це може бути можливим, якщо равликам дадуть аверсивний стимул, щось, від чого вони хворіють, замість того, що їм подобається.

На даний момент Кросслі та його команда цікавляться тим, що відбувається в мозку цих равликів, коли вони виконують кілька дій, а не просто відкривають або закривають рот. «Це досить захоплюючі істоти», — сказав Крослі. «Ви насправді не очікуєте, що ці тварини зможуть виконувати такі складні процеси».

Примітка редактора: Лорен Франк є дослідником Ініціативи дослідження аутизму Фонду Сімонса (SFARI). Фонд Сімонса також фінансує Quanta як редакційно незалежний журнал. Рішення про фінансування не впливають на наше покриття.