Память — удивительный дар, позволяющий нам не только запечатлевать события, но и использовать накопленный опыт. Однако наш мозг не является пассивным хранилищем всего, что мы воспринимаем. В огромном потоке информации, который ежедневно обрушивается на нас, есть полезные данные, а есть и шумы, отвлекающие факторы, совершенно не нужные для дальнейшей жизни. Как мозг определяет, что стоит запомнить, а что следует отбросить?

Недавнее исследование, опубликованное в престижном журнале «Nature Neuroscience», приоткрывает завесу над этим сложным механизмом. Оно показывает, как именно наш мозг отсеивает все лишнее в процессе формирования воспоминаний, сосредотачиваясь на важном, будто опытный редактор, отбирающий самое ценное из черновиков.

Как мозг отсеивает лишнее при формировании воспоминаний

Нейробиологи давно задавались вопросом, как мозг отличает важную информацию от незначительной, когда дело доходит до формирования воспоминаний. Многие исследования показали, что гиппокамп — область мозга, играющая ключевую роль в памяти, — «переигрывает» (или повторяет) нейронную активность, чтобы закрепить новые знания.

Однако, что именно воспроизводится и как мозг решает, что сохранить, а что отбросить — оставалось загадкой. Данное исследование было направлено на то, чтобы раскрыть эти «правила игры» и понять, как мозг подавляет отвлекающие элементы, сохраняя при этом основные, наиболее значимые паттерны.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе, ученые применили комплексный подход, сочетающий в себе:

Вычислительные модели. Были созданы три типа моделей, имитирующих работу мозга:

1. Базовая нейронная сеть, моделирующая взаимодействие между отдельными нейронами;
2. Детальная биофизическая модель нейронов гиппокампа, позволяющая рассмотреть их функции на более глубоком уровне;
3. Абстрактная математическая модель, фокусирующаяся на общих принципах работы памяти.

Эти модели симулировали процесс повторения воспоминаний в гиппокампе, а точнее, в области CA3, которая известна своей способностью генерировать так называемые «острые волны» — кратковременные всплески активности мозга, связанные с консолидацией памяти. Модели обучались на последовательностях опыта, содержащих как релевантные (последовательные и значимые) пространственные паттерны, так и случайные, не связанные с контекстом сигналы;

Эксперименты на животных

Использовались методы оптогенетики на мышах, что позволяло контролировать активность отдельных нейронов с помощью света.

Все модели обучались по правилу Хебба — принципу, согласно которому синхронная активация нейронов усиливает связи между ними. Однако, в отличие от прежних исследований, это правило применялось не только к возбуждающим, но и к тормозящим связям. Именно это стало ключом к пониманию механизма фильтрации.

Роль тормозящей пластичности

Исследователи обнаружили, что включение механизма тормозящей пластичности позволило нейронной сети подавлять активность нейронов, реагирующих на непредсказуемые, не поддающиеся обобщению стимулы. При этом нейроны, отвечающие за стабильные аспекты окружающей среды, продолжали усиливаться. Иными словами, мозг учился игнорировать случайные шумы, фокусируясь на систематических паттернах. 

В сетях без тормозящей пластичности воспроизводились беспорядочные последовательности, которые мало напоминали осмысленные воспоминания.

Для проверки этих теоретических предсказаний, было проведено экспериментальное исследование на мышах. Ученые искусственно создали так называемые «дистракторные» клетки — нейроны, которые активировались при предъявлении случайных, не имеющих отношения к делу стимулов. Затем, в периоды отдыха, когда обычно происходит воспроизведение памяти, измерялась активность этих нейронов.

Результаты подтвердили гипотезу: нейроны, искусственно связанные с непредсказуемыми стимулами, демонстрировали пониженную активность во время воспроизведения памяти. Это соответствует идее о том, что мозг учится подавлять нерелевантные представления.

Экспериментальные данные также показали, что это подавление было связано с увеличением тормозящего воздействия на эти нейроны. Клетки, реагирующие на случайные сигналы, получали более сильные тормозящие сигналы, чем так называемые «клетки места», которые, как известно, отвечают за последовательные признаки, такие как пространственное расположение. Это подтверждает, что тормозящие синапсы адаптируются в зависимости от опыта и помогают формировать содержание воспроизводимой памяти таким образом, чтобы это способствовало обобщению информации.

Последствия нарушения тормозящей функции

Когда механизм тормозящей пластичности был нарушен или полностью удален — как в симуляциях, так и в биологических экспериментах, — способность мозга отличать полезную информацию от шума исчезала. Воспроизводимые воспоминания становились загроможденными нерелевантными данными, а нейронные сети не могли поддерживать четкие, структурированные представления. Это говорит о том, что процесс обучения, связанный с торможением, не только важен для фильтрации отвлекающих факторов, но и необходим для формирования когерентных, то есть связных и логичных, воспоминаний.

Исследование также представило упрощенную модель, которая сводила реальное обучение к последовательности наблюдений, включающих как постоянные паттерны, так и случайные помехи. В этой модели одно только возбуждающее обучение не могло отфильтровать шум. Однако, когда торможение позволило адаптироваться на основе времени нейронной активности, сеть со временем научилась подавлять непредсказуемые входные данные. Чем чаще отвлекающий фактор возникал в различных контекстах, тем больше торможения он накапливал, в конечном итоге блокируя его от воспроизведения. Этот механизм согласуется с идеей о том, что консолидация памяти отдает приоритет обобщаемой информации — паттернам, которые остаются стабильными в течение нескольких опытов.

Этот процесс, словно сито, позволяет мозгу пропускать через себя огромные объемы информации и отбирать только то, что действительно важно для понимания и адаптации к окружающему миру. Это открытие дает нам более глубокое представление о том, как формируется наша память, и, возможно, в будущем позволит разработать новые подходы к лечению расстройств, связанных с памятью.

Что еще предстоит исследовать

Несмотря на значимость полученных результатов, авторы исследования подчеркивают, что оно имеет свои ограничения. В работе использовались относительно простые условия, а фокус был сделан на конкретных цепях гиппокампа. В реальной жизни наш опыт гораздо сложнее, и в обработке и хранении воспоминаний участвует множество различных областей мозга.

Кроме того, в исследовании тормозящие нейроны рассматривались как однородная группа, хотя в действительности существует множество их подтипов с различными функциями:

1. 1. • Одни регулируют активность в пределах дендритов;
      • Другие контролируют синхронизацию нейронных колебаний;
      • Третьи участвуют в процессах, связанных с обучением и памятью;
      • Четвертые могут быстро реагировать на поступающие сигналы, в то время как другие имеют более медленные и продолжительные эффекты.

Будущие исследования могли бы изучить, как различные типы тормозящих нейронов способствуют отбору воспоминаний и применим ли этот механизм в других областях мозга или во время сна.

Таким образом, исследование показало, что мозг активно формирует наши воспоминания, отсеивая лишнее и подтачивая важное. Это происходит благодаря сложной системе, где тормозящие связи между нейронами играют роль некоего фильтра, отсеивающего случайные детали и позволяющего нам сконцентрироваться на основной структуре произошедших событий. Это дает надежду на то, что мы сможем лучше понять и помочь тем людям, чьи способности к запоминанию и вниманию нарушены.