Работа мозга во сне

Мозг во сне «проигрывает» дневные события с семикратным ускорением

Американские нейробиологи обнаружили, что в префронтальной коре (Prefrontal cortex) мозга крысы во время сна происходит семикратно ускоренное воспроизведение серий нервных импульсов, которые наблюдались во время бодрствования. Такое «прокручивание» дневных впечатлений, по-видимому, необходимо для формирования устойчивых воспоминаний. Авторы полагают, что обнаруженный ими процесс представляет собой «переписывание» информации из кратковременной памяти, за которую отвечает гиппокамп, в долговременную память, находящуюся под управлением префронтальной коры.

На сегодняшний день ученые уже довольно хорошо разобрались в клеточной и молекулярной природе памяти, а также в том, какие отделы мозга и в какой последовательности участвуют в запоминании, хранении и последующем воспроизведении (вспоминании) информации (см. ссылки внизу). Известно, что многие ключевые процессы, связанные с закреплением воспоминаний («консолидация памяти») происходят во сне, и важнейшую роль в этих процессах играет гиппокамп. Если этот маленький отдел мозга выходит из строя, люди (или животные) теряют способность что-либо запоминать, хотя все старые воспоминания у них сохраняются.

Экспериментально показано, что нейроны гиппокампа во сне воспроизводят те же серии нервных импульсов, которые наблюдались во время бодрствования (например, во время обучения какой-нибудь задаче). По-видимому, это повторное проигрывание дневных переживаний необходимо для того, чтобы свежеприобретенный опыт благополучно «переписался» из гиппокампа в те отделы мозга, которые отвечают за долговременную память (это в первую очередь кора больших полушарий). Принцип «повторение — мать учения» лежит в основе функционирования нервной системы на самом базовом клеточном уровне.

Однако после того, как гиппокамп сделал свое дело, воспоминания продолжают храниться в коре уже без его помощи. В процессе активизации устоявшихся, «консолидированных» воспоминаний ключевую роль играет так называемая медиальная префронтальная кора (МПФК). Когда мы вспоминаем события, случившиеся только что, гиппокамп активизируется сильно, а МПФК — слабо. Но если нам нужно вспомнить что-то более давнее, наблюдается обратная картина: нейроны МПФК работают очень активно, а нейроны гиппокампа — гораздо слабее. Эта закономерность подтверждена опытным путем и на крысах, и на людях. Кроме того, известно, что повреждения МПФК ведут к нарушениям механизма вспоминания давних событий.

Американские нейробиологи предположили, что если МПФК так важна для «воспроизведения» воспоминаний, то она, наверное, должна принимать участие и в их «записи», то есть в процессе консолидации воспоминаний (наряду с гиппокампом и некоторыми другими отделами мозга). Действительно, некоторые эксперименты последних лет показали, что даже временное нарушение функционирования МПФК может приводить к серьезным отклонениям в процессе формирования долговременных воспоминаний.

Если это так, то в МПФК, как и в гиппокампе, должно во время сна происходить повторное «проигрывание» серий нервных импульсов, которые наблюдались днем. Чтобы проверить это предположение, двум крысам имплантировали в мозг миниатюрное устройство, позволяющее следить одновременно за активностью 120 нейронов МПФК. Крысы каждый день выполняли серию заданий на ориентацию и пространственную память. За это их «награждали» электрической стимуляцией центров удовольствия. Выполнение одного задания занимало примерно 20 секунд, а задания следовали одно за другим в течение 50 минут.

Запись активности нейронов МПФК производилась: 1) во время сна перед «работой», 2) в ходе выполнения заданий и 3) во время сна сразу после рабочей сессии.

Затем при помощи очень сложных аналитических методов проводилось сравнение «рисунка» нервной активности в эти три периода. Первый этап анализа состоял в том, что для каждой пары нейронов строились графики, отражающие степень скоррелированности (синхронности) работы этих двух нейронов. По горизонтальной оси на таком графике откладывается время, а по вертикальной — число синхронных «выстреливаний» двух нейронов в течение каждых 10 миллисекунд. Затем для каждой пары нейронов производился поиск корреляций между тремя графиками, первый из которых отражал ситуацию во время сна перед работой, второй — во время работы, и третий — во время сна после работы (см. рисунок). Наконец, производилось объединение и обобщение результатов, полученных для отдельных нейронных пар.

Четыре примера «кросс-корреляционного сравнения» работы пар нейронов во время выполнения задания и во сне. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Исследователи обнаружили, что во время сна в первые два часа после выполнения заданий в МПФК возникают серии скоррелированных нервных импульсов, похожие на те, которые наблюдались во время «работы», но прокрученные в ускоренном режиме. Наибольшее сходство графиков нейронной активности наяву и во сне получается в том случае, если второй график «растянуть» во времени в семь раз. Во время сна перед выполнением заданий ничего подобного не наблюдается.

«Ускоренное прокручивание» дневных впечатлений во время сна происходит не постоянно, а эпизодически, короткими периодами примерно по полторы секунды каждый. Нетрудно подсчитать, что за один такой период мозг крысы успевает «прокрутить» около 10 секунд реального времени. Это примерно половина времени, требующегося для выполнения одного стандартного задания.

По мнению авторов, сжатие времени во сне говорит о том, что мозг способен работать намного быстрее, если его не сдерживают «поведенческие ограничения». Иными словами, мысль работает быстрее тела. Действительно, все мы хорошо знаем, что на выполнение какого-либо действия обычно уходит больше времени, чем требуется потом для того, чтобы, вспоминая, «прокрутить его в голове».

Ранее сообщалось, что ночное «прокручивание» дневных впечатлений в гиппокампе тоже осуществляется в ускоренном режиме (с 5-20-кратным ускорением). Но в действительности, как указывают авторы, ситуация с гиппокампом несколько хитрее. Похоже на то, что этот отдел мозга еще днем, во время выполнения крысой стандартных заданий, осуществляет некое сжатие информации во времени. Говоря очень упрощенно, то «ускорение», которое наблюдается в гиппокампе, может быть связано с тем, что гиппокамп во сне вспоминает не сами события, а свои мысли о них.

Конечно, очень трудно строго доказать, что ускоренное проигрывание нейронных импульсов в МПФК во время сна действительно представляет собой процесс закрепления воспоминаний. Однако авторы полагают, что это весьма вероятно. Ведь данное явление наблюдается именно в том отделе мозга, который отвечает за активизацию воспоминаний о давних событиях. Кроме того, оно наблюдается именно в тот период — в первые два часа после приобретенного опыта — который, как было показано ранее, является критическим для формирования устойчивых воспоминаний. Например, если в течение двух часов после сеанса обучения ввести крысе в мозг вещество, временно блокирующее работу МПФК, крыса ничего не запоминает, но если сделать инъекцию позже, запоминание происходит нормально.

Поэтому авторы полагают, что обнаруженное ими явление, скорее всего, представляет собой не что иное, как процесс активного «переписывания» информации из кратковременной памяти (за которую отвечает гиппокамп) в долговременную, которой руководит МПФК.

По материалам Subscribe.Ru

Источник: David R. Euston, Masami Tatsuno, Bruce L. McNaughton. Fast-Forward Playback of Recent Memory Sequences in Prefrontal Cortex During Sleep // Science. 2007. V. 318. P. 1147–1150.