Как работает ассоциативная память: новые исследования

Фотоколлаж «На крыльях» 2020, Марианна Стороженко

Женщина идет по улице, рядом с ней – ее парень. Она слышит выстрел, парень падает замертво. Через месяц она обращается за медицинской помощью. Шум мусороуборочных машин вызывает у нее панические атаки.

Ее мозг сформировал глубокие и устойчивые связи между громкими звуками и тем ужасом, который ей пришлось пережить. Эту историю рассказывает один из участников команды исследователей Института Цукермана Колумбийского университета, изучавших, как мозг запоминает и объединяет события, отдаленные во времени.

Гиппокамп остается загадкой для ученых. Известно, что это часть головного мозга, участвующая в механизмах формирования эмоций, консолидации памяти (то есть перехода кратковременной памяти в долговременную), а также пространственной памяти, необходимой для навигации. Именно гиппокамп играет ключевую роль в ориентации во времени и формировании памяти.

Одно из самых известных исследований гиппокампа произошло в 1953 году – хирург полностью удалил гиппокамп пациента. Таким образом была предпринята попытка вылечить эпилепсию. В результате операции пациент полностью утратил способность к запоминанию. Сохранились лишь воспоминания, «записанные» в его память, до операции. Новые знания – мгновенно улетучивались.

В 2014 году Нобелевскую премию по медицине разделили американец Джон О’Киф и норвежцы Эдвард Мозер и Мэй-Бритт Мозер. Премию ученые получили за исследования, связанные с гиппокампом, с формулировкой: «за открытие клеток, составляющих систему позиционирования в головном мозге». В начале 1970-х О’Киф открыл в гиппокампе клетки места, работающие подобно навигатору. В начале 2000-х Мозеры обнаружили нейроны, кодирующие положение в пространстве, подобно координатной сетке.

Опыты в Институте Цукермана Колумбийского университета проводились на мышах. Предыдущие исследования показали, что разрыв гиппокампа вызывал проблемы с созданием ассоциаций событий, между которыми более 10 секунд.

Проверяя традиционное понимание проблемы, ученые провели следующий эксперимент: мышей подвергали влиянию двух стимулов – за нейтральным звуком следовал короткий, но неприятный для восприятия хлопок воздуха. Между двумя событиями – 15 секунд. Ученые повторяли этот опыт несколько раз. Через некоторое время мыши научились ассоциировать звук с приближением хлопка.

Используя двухфотонный лазерный микроскоп (позволяющий, благодаря явлению флуоресценции, наблюдать живые ткани на глубине более одного миллиметра) и кальциевый имиджинг, ученым удалось зафиксировать в гиппокампе животных активность тысяч нейронов, сформировавшихся непосредственно во время опытов.

Аттила Лосончи, один из авторов исследования, отмечает, что ученые имитировали в упрощенном виде процесс, происходящий в мозге человека, когда он учится объединять два события.

Ученые обнаружили, что вместо постоянного обмена информацией (как предполагалось ранее), нейроны берегут энергию – возможно, кодируя информацию в месте контакта между клетками – так называемых синапсах (служат для передачи нервного импульса между двумя клетками). Большую роль в исследовании сыграло то, что ученые пытались упорядочить хаотическое движение нейронов. Для этого они обратились к помощи нейробиологов, создавших математические модели их взаимодействия.

Один из авторов, доктор Фузи, вспоминает, как они «обрадовались, когда увидели – мозг не пребывает в состоянии постоянной активности между секундами, разделяющими события. Похоже, что мозг имеет более эффективный способ построения связей, чем мы ожидали».

Результаты исследования помогут не только более эффективно изучать возможности ассоциативного обучения, но и создают фундамент для изучения нарушений ассоциативной памяти, триггеров панических атак и посттравматических стрессовых расстройств.

Оригинальное исследование: Mohsin S. Ahmed, James B. Priestley, Angel Castro, Fabio Stefanini, Elizabeth M. Balough, Erin Lavoie, Luca Mazzucato, Stefano Fusi, Attila Losonczy// Hippocampal Network Reorganization Underlies the Formation of a Temporal Association Memory// Neuron, 2020.– https://www.cell.com/neuron/pdf/S0896-6273(20)30282-8.pdf