Травматическая память изменяет работу мозга

Ученые давно размышляют о физических изменениях, которые происходят в мозге при формировании новой памяти. Теперь исследование Национального института физиологических наук прояснило эту интригующую неврологическую тайну.

В исследовании, недавно опубликованном в Nature Communications, ученым удалось обнаружить нейронные сети мозга, участвующие в запоминании травм, используя новый метод, который сочетает в себе оптические подходы и подходы на основе машинного обучения, фиксируя сложные изменения, которые происходят во время формирования памяти, и раскрывая механизмы, с помощью которых создаются воспоминания о травмах.

Животные учатся приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды для выживания.

Ассоциативное обучение, включающее классическое обусловливание, является одним из простейших видов обучения и интенсивно изучается на протяжении последнего столетия.

За последние два десятилетия технические разработки в области молекулярных, генетических и оптогенетических методов позволили идентифицировать области мозга и специфические популяции нейронов, которые контролируют формирование и извлечение новых ассоциативных воспоминаний.

Например, дорсальная часть медиальной префронтальной коры (dmPFC) имеет решающее значение для извлечения ассоциативных воспоминаний о страхе у грызунов. Однако способ, которым нейроны в этой области кодируют и извлекают ассоциативную память, до конца не изучен, и исследовательская группа стремилась решить эту проблему.

“dmPFC демонстрирует специфическую нейронную активацию и синхронность во время извлечения воспоминаний о страхе и вызванных им реакциях страха, таких как замирание и замедление сердечного ритма”, – объясняет ведущий автор Масаказу Агецума.

“Искусственное подавление dmPFC у мышей подавляло реакции страха, указывая на то, что эта область необходима для вызова ассоциативных воспоминаний о страхе. Поскольку эта часть коры связана с системами мозга, участвующими в обучении и связанных с ними психическими заболеваниями, мы хотели исследовать, как изменения в dmPFC специфически регулируют новую ассоциативную информацию в памяти “.

Исследовательская группа использовала продольную двухфотонную визуализацию и различные методы компьютерной нейробиологии, чтобы определить, как изменяется нейронная активность в префронтальной коре мышей после обучения в парадигме формирования страха.

Префронтальные нейроны ведут себя очень сложным образом, и каждый нейрон реагирует на различные сенсорные и двигательные события.

Чтобы справиться с этой сложностью, исследовательская группа разработала новый аналитический метод, основанный на “эластичной сети” –  алгоритме машинного обучения, для определения того, какие конкретные нейроны кодируют память о страхе. Далее они проанализировали пространственное расположение и функциональную связность нейронов с помощью графического моделирования.

“Мы успешно обнаружили популяцию нейронов, которая кодирует память о страхе”, – говорит Агетсума. “Наши анализы показали нам, что обусловливание страхом индуцировало формирование нейронной сети воспоминаний о страхе с “узловыми” нейронами, которые функционально соединяли нейроны памяти”.

Важно отметить, что исследователи обнаружили прямые доказательства того, что формирование ассоциативной памяти сопровождалось новой ассоциативной связью между первоначально различными сетями, то есть сетью условных стимулов (CS, например, звуков) и сетью безусловных стимулов (US, например, переживанием страха). “Мы предполагаем, что эта недавно обнаруженная связь может облегчить обработку информации, вызывая реакцию страха (CR) в CS (т.е. нейронной сети для преобразования CS в CR)”.

Долгое время считалось, что воспоминания формируются за счет расширения нейронных связей, которые усиливаются при повторной активации групп нейронов”.

“Результаты настоящего исследования, которые были основаны как на реальных наблюдениях, так и на анализе на основе моделей, это подтверждают.

Кроме того, исследование демонстрирует, как комбинированные методы (оптика и машинное обучение) могут быть использованы для визуализации динамики нейронных сетей в мельчайших деталях. Эти методы могут быть использованы для получения дополнительной информации о неврологических изменениях, связанных с обучением и памятью.