Ученые раскрыли механизм временного хранения информации в мозге

Американские исследователи обнаружили, как нейронная сеть в мозге плодовой мушки переключается между отслеживанием направления и его временным сохранением. Запах пищи вызывает взаимодействие двух групп клеток, что позволяет насекомому продолжать движение в заданном направлении даже после исчезновения запаха. В материале «Известий» рассматриваются нейронные «ворота», необходимость устойчивости и гибкости памяти, а также что эксперименты на мухах могут рассказать о функционировании мозга. Об этом сообщает сайт Известия.

Рабочая память необходима, чтобы удерживать информацию, пока она актуальна. Например, код подтверждения требуется лишь до его ввода в нужное поле. Сохранение направления движения важно, когда ориентир временно исчезает. В таких случаях информация остается доступной для выполнения текущей задачи.

Национальный институт психического здоровья США (NIMH) определяет рабочую память как активное удержание и гибкое обновление информации, связанной с задачей. Она имеет ограниченную вместимость и должна противостоять помехам.

Кратковременная и рабочая память близки, но не идентичны. Первая связана с временным хранением данных, вторая — с их удержанием и использованием в текущей деятельности. В новом исследовании ученые изучали, как мозг мухи сохраняет направление для продолжения движения.

Сигнал должен быть достаточно устойчивым, чтобы не исчезать сразу после внешнего стимула, но также быстро менять состояние, когда информация становится ненужной. Механизм, который хорошо удерживает сигнал, не обязательно умеет вовремя прекращать его удержание.

Несмотря на то, что в человеческом мозге десятки миллиардов нейронов, у плодовой мушки их менее 200 тысяч. Однако принципы организации и передачи сигналов между клетками у этих нервных систем схожи, что делает дрозофилу удобной моделью для изучения механизмов работы мозга.

Подробная карта связей в мозге взрослой мухи, называемая коннектомом, показывает, какие нейроны соединены. Эта карта помогает находить цепи, участвующие в определенном поведении. Однако анатомической схемы недостаточно, так как связь между клетками не гарантирует одинаковое взаимодействие в разных условиях.

Исследователи сопоставляли устройство нейронной сети с активностью клеток и поведением мух, интересуясь, как конкретная цепь переходит от восприятия информации к ее сохранению.

В эксперименте мухам подавали запах яблочного уксуса. Насекомые двигались в направлении запаха и продолжали движение еще несколько секунд после его исчезновения. Это поведение позволило проследить, как мозг удерживает навигационную цель при кратковременной потере внешнего сигнала. Запах не поступает, но направление сохраняется и влияет на движение.

Для наблюдения за активностью мозга использовали установку, где муха могла идти по шару, поддерживаемому потоком воздуха. Это позволяло отслеживать движения насекомого, контролируя подачу запаха и направление воздушного потока.

Ученые изучали активность нервных клеток, регистрировали их электрические сигналы и использовали компьютерное моделирование. Сочетание этих методов помогло объяснить наблюдаемое поведение.

«Наше исследование показывает, как нейронная цепь формирует кратковременную память в ответ на запах, позволяя мухе запомнить направление и двигаться к его источнику», — отметила старший автор работы, доцент кафедры нейронаук медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета Кэтрин Нейгел.

В центре исследования оказались две группы нейронов — PFG и hΔK. Во время направленного движения они демонстрировали устойчивые паттерны активности, что указывало на совместную работу.

Эти клетки образуют сеть с обратными связями, позволяя сигналам проходить между группами нейронов и поддерживать активность внутри цепи. Такая организация позволяет информации сохраняться некоторое время после исчезновения внешнего стимула.

Подобные цепи называют аттракторными сетями. Аттрактор — устойчивое состояние, к которому приходит система. В данном случае речь идет об устойчивом распределении активности нейронов, связанном с выбранным направлением.

Однако такая устойчивость создает проблему: если активность поддерживает сама себя, необходимо объяснить, как сеть быстро прекращает удерживать прежний сигнал и начинает работать с новой информацией. Именно механизм переключения стал главным предметом исследования.

Результаты показывают, как сеть с обратными связями может поддерживать временный сигнал и быстро переключаться между состояниями. Компьютерная модель воспроизводила ключевые особенности активности изученных нейронов, а наблюдения за клетками согласовывались с предложенным механизмом.

Тем не менее, исследование посвящено конкретной цепи в мозге дрозофилы и навигации, запускаемой запахом. Оно не устанавливает, что все виды кратковременной памяти работают по одной схеме.

Временное удержание направления у мухи нельзя напрямую приравнять к запоминанию числового кода или пониманию предложения человеком. Эти задачи относятся к разным условиям и нервным системам, но объединяет общий вопрос: как сохранить актуальную информацию, не теряя способность быстро ее обновить.

Авторы заинтересованы в возможности существования сходного принципа в других нейронных сетях, однако для этого необходимо отдельно исследовать их устройство и работу. Нынешний результат уточняет механизм в изученной цепи.