Як працює наша пам'ять? Вчені вважають, що мозок лінивіше, ніж нам здається

Між моментом, коли ви читаєте пароль Wi-Fi з дошки меню кафе, і часом, коли ви повертаєтеся до свого ноутбука, щоб ввести його, вам потрібно докласти зусиль, щоб не забути цифри та літери. Якщо ви коли-небудь запитували, як ваш мозок це робить, ви цікавитеся робочою пам'яттю, яку дослідники намагалися пояснити протягом десятиліть. Тепер нейробіологи Массачусетського технологічного інституту опублікували ключове дослідження, яке пояснює, як це працює.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал . Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найцікавіші новини зі світу науки!

У дослідженні вчені з Інституту навчання та пам'яті Пікауера порівняли активність клітин мозку в тварини, яка виконує завдання на робочу пам'ять, з результатами різних комп'ютерних моделей, що представляють дві теорії основного механізму утримання інформації. Результати переконливо підтвердили нове уявлення у тому, що мережа нейронів зберігає інформацію, вносячи короткочасні зміни у структуру своїх сполук чи синапсів. Вони чітко суперечили традиційній альтернативі, згідно з якою пам'ять підтримується нейронами, що залишаються постійно активними (подібно до двигуна, що працює на холостому ході).

Хоча обидві моделі дозволяли утримувати інформацію в пам'яті, тільки ті версії, які дозволяли синапсам тимчасово змінювати зв'язки (короткочасна синаптична пластичність), створювали патерни нейронної активності, які імітували те, що насправді спостерігалося в реальному мозку, що працює.

Ідея про те, що клітини мозку зберігають пам'ять, будучи завжди "включеними", може бути простіше, визнав старший автор Ерл К. Міллер, але вона не відображає того, що робить природа, і не може пояснити складну гнучкість мислення, яка може виникнути з -за уривчастих імпульсів.

"Якби робоча пам'ять полягала тільки у стійкій постійній активності, вона була б такою ж простою, як вимикач світла. Але робоча пам'ять така ж складна і динамічна, як і наші думки" – говорить Міллер.

Співавтор Лео Козачков, який отримав докторський ступінь у Массачусетському технологічному інституті у листопаді за роботу з теоретичного моделювання, включаючи це дослідження, сказав, що зіставлення комп'ютерних моделей із реальними даними має вирішальне значення.

"Більшість людей думають, що робоча пам'ять "відбувається" в нейронах — постійна нейронна активність породжує постійні думки. Однак останнім часом ця точка зору була ретельно перевірена тому, що вона насправді не узгоджується з реальними даними" — сказав Козачков. "Використовуючи штучні нейронні мережі з короткочасною синаптичною пластичністю, ми показуємо, що саме активність у синапсах (замість нейронної активності) може бути фундаментом для робочої пам'яті".

Відповідність моделей природі

Разом із співавтором Джоном Таубером, аспірантом Массачусетського технологічного інституту, метою Козачкова було не просто визначити, як інформація робочої пам'яті може зберігатися в розумі, а й пролити світло на те, яким чином природа насправді робить це. Це означало, що потрібно починати з "наземних" вимірювань електричної "сплескової" активності сотень нейронів у префронтальній корі головного мозку тварини, коли вона грала в гру з робочою пам'яттю. У кожному з багатьох раундів тварині показували зображення, яке потім зникало. Секундою пізніше вона побачить два зображення, включаючи оригінал, і повинна подивитися на оригінал, щоб заробити невелику винагороду. Ключовим моментом є проміжна секунда, звана "періодом затримки", протягом якої зображення має бути збережене в пам'яті перед тестом.

Команда постійно спостерігала те, що лабораторія Міллера бачила вже багато разів: нейрони сильно активізувалися при перегляді вихідного зображення, сплески відбувалися періодично під час періоду затримки, а потім знову з'являлися, коли зображення потрібно було "згадати", тобто взяти з пам'яті. Іншими словами, сплески активності сильні, коли інформація має бути спочатку збережена і коли вона має бути викликана з пам'яті. Постійної активності вчені не спостерігали.

Більше того, команда навчила програмні "декодери" зчитувати інформацію про робочу пам'ять із вимірювань пікової активності. Вони були дуже точними, коли сплески були високими, але за низької активності не давали майже жодного результату. Це свідчить, що сплески не дають інформацію під час періоду затримки. Але це порушило важливе питання: якщо сплеск не фіксує інформацію, то що?

Дослідники припустили, що зміни відносної сили та "ваги" синапсів можуть зберігати інформацію замість самих нейронів. Команда Массачусетського технологічного інституту перевірила цю ідею шляхом комп'ютерного моделювання нейронних мереж, які втілювали у життя обидві версії кожної теорії.

В результаті моделі могли давати сплески активності аналогічно до живого мозку. І вони могли бути інтерпретовані декодером так само, як і при вивченні реальних тварин.

Робота робочої пам'яті

За підсумком модель сучасного погляду на пам'ять (модель короткочасної синаптичної пластичності) зберігала інформацію навіть після того, як половина штучних нейронів була видалена в ході експерименту. А модель, заснована на традиційній теорії, виходила з ладу після втрат 10-20% своїх синапсів. Вчені пов'язують це з тим, що на підтримку постійної активності потрібно набагато більше енергії, ніж для тимчасових сплесків.

Крім того, за словами Міллера, швидкі короткочасні сплески активності залишають місце у часі для зберігання більше одного елемента у пам'яті. Дослідження показали, що люди можуть утримувати у робочій пам'яті до чотирьох різних речей. Лабораторія Міллера планує нові експерименти, щоб визначити, чи відповідають його моделі реальним нейронним даним за умови утримування в думці кількох речей, а не просто однієї картинки.

Раніше Фокус писав, як наша нервова система зберігає спогади на більш тривалий термін, чи утворюються нові нейрони і в якому відділі головного мозку знаходиться наша довгострокова пам'ять.