Электрические поля участвуют в формировании памяти

Согласно современным представлениям о природе памяти, хранение информации охватывает весь мозг целиком: в формирование следа памяти — энграммы — вовлечены комплексы нейронов из разных областей мозга. Однако то, как именно они образуются, по-прежнему остается загадкой для современной нейрофизиологии.

Разные области мозга соединены между собой межнейронными связями, но для объяснения возникновения таких нейронных ансамблей этого недостаточно. Ученые выдвигают различные гипотезы об их природе. Одну из них проверили Эрл Миллер, профессор Массачусетского технологического института, и Димитрис Пинотсис из Университета Лондона, опубликовавшие статью в журнале Cerebral Cortex.

В основе активности нейронов лежит изменение разности потенциалов на их мембране. В ответ на стимул может происходить деполяризация мембраны нейрона — смещение потенциала в сторону положительных значений. Когда она достигает определенного порога, возникает потенциал действия, и по мембране нейрона распространяется электрический импульс. На другие нейроны сигнал передается через межнейронные контакты — синапсы.

Здесь важна также электродинамическая сторона вопроса: активность нейронов порождает электрические поля. Миллер и Пинотсис выдвинули гипотезу, что эти электрические поля имеют отношение к информационным процессам — именно под их действием формируются нейронные ансамбли в разных областях мозга. Ранее авторы проверили гипотезу in vitro, на культивируемых в лаборатории мозговых срезах. Они показали, что представление работы ансамблей нейронов на уровне электрических полей оказывается более надежным и стабильным, чем на уровне отдельных клеток и их связей. В данном исследовании эту гипотезу подтвердили уже in vivo, на мозге обезьян.

«Используя теорию комплексных систем и математические вычисления, мы предсказали, что электрические поля, возникающие в мозге, направляют нейроны на образование комплексов, которые обеспечивают память, — говорит Пинотсис. — Наши экспериментальные данные и статистический анализ подтвердили это предположение. В будущем это может быть использовано для совершенствования интерфейсов мозг-компьютер».

Электрические поля в мозге приводят к образованию так называемых эфаптических соединений (ephaptic coupling) — взаимодействий между нейронами, не связанными друг с другом через синапсы. Эти нейроны в разных частях мозга оказываются вовлечены в сети, формирующие энграмму.

Теоретическое предсказание ученые проверили в эксперименте на двух макаках, которых обучали задаче, включающей фиксацию взгляда на целевом объекте. Объект демонстрировали под разными углами к центру, животным нужно было запоминать его расположение и перед следующим предъявлением переводить взгляд в эту точку. За это они получали подкрепление.

При помощи вживленных в мозг электродов во время обучения отслеживали электрическую активность в двух областях коры мозга — это переднее глазное поле (frontal eye fields, FEF) и дополнительное глазное поле (supplementary eye fields, SEF), которые обеспечивают произвольные движения глаз. Вокруг каждого электрода регистрировали электрическое поле и измеряли его показатели. Исследователи установили связь между электрической активностью нейронов, возникавшей в то время, как подопытные макаки запоминали расположение объекта, и изменениями электрических полей.

При этом ученые сопоставили разные подходы к описанию того, как информация о стимуле представлена в ответах мозга. Оказалось, что функциональную связь между двумя областями мозга отражают именно электрические поля, но не активность отдельных нейронов или локальный потенциал (local field potential, LFP).

Электрические поля обеспечивают передачу информации между двумя областями мозга от FEF к SEF, и эта передача происходит очень быстро — ее скорость определяется скоростью распространения электрического поля (близка к скорости света). При этом она вовсе не отменяет межнейронную передачу сигналов через синапсы, а дополняет ее. В каждой области мозга под действием электрического поля активируются те или иные нейроны, образующие нейронные ансамбли. Электрические поля служат как бы направляющими рельсами для формирования этих ансамблей. Ученые сравнивают их с дирижерами оркестра, где нейроны в роли музыкантов исполняют информационную симфонию — энграмму.

Таким образом, авторы получили доказательства своей гипотезы: электрические поля в мозге формируют активность нейронных ансамблей, которые лежат в основе рабочей памяти. Эти данные можно применить при создании интерфейсов мозг-компьютер, где ключевым настраиваемым параметром будет служить электрическое поле, и манипуляции с ним повлияют на активность тех или иных групп нейронов.

Цитата по пресс-релизу

Обнаружены ключевые гены формирования памяти у человека