Исследователи «прочитали» мозговую активность при магнитной стимуляции памяти

Ученые из Нидерландов проверили, как изменяется активность мозга при магнитной стимуляции лобной коры, когда участники эксперимента выполняли тест на память. Оказалось, что при стимуляции уменьшается бета-активность теменной коры, что приводит к улучшению вербальной памяти. 

Credit: public domain

Память – это один из самых важных когнитивных процессов. Исследования показали, что при запоминании и воспроизведении в мозге можно наблюдать характерную картину нейронной осцилляции – совокупной активности нейронов в определенных зонах. Представьте себе, что нейрон – это лампочка. Она мигает с определенной частотой. Существуют разные частоты “мигания” нейронов, условно подразделяемые на альфа, бета, гамма, дельта, тета и другие волны. По характеристикам нейронной активности можно судить о том, что происходит в мозге. 

Так, в момент когда человек обращает на что-то внимание, фокусируется (что в дальнейшем приводит к запоминанию информации) в мозге уменьшается альфа-активность под влияние лобной коры мозга. Альфа-активность служит своеобразными воротами, через которые информация входит в мозг. 

Ученые из Нидерландов попробовали исследовать, что именно происходит с активностью мозга в тот момент, когда его стимулируют с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). 

В первом эксперименте ученые предложили респондентам два списка слов, один за другим. В каждом списке – по 10 слов. Сперва участники изучали первый список, затем шла инструкция: запомнить или забыть предъявленный список. После этого участникам демонстрировали второй список слов, только для запоминания.

При анализе данных ученые рассматривали только те случаи, когда необходимо было запомнить и первый и второй списки слов. Задание “забыть первый список слов” необходимо было лишь для того, чтобы удерживать внимание респондентов. 

Когда участник запоминал второй список слов, ученые применяли магнитную стимуляцию. Одной группе участников стимулировали дорсолатеральную префронтальную кору (DLPFC), другим — вертекс. Стимулировали 45-ю повторяющимися разрядами с частотой в 1 Гц. 

Вертекс отмечен рыжей стрелкой, DLPFC — фиолетовой (хотя на данной картинке DLPFC показан не совсем корректно, он находится ближе ко лбу – прим. авт.). Credit: van der Plas et al. / PLOS Biology 2021

После запоминания шла отвлекающая задача: необходимо было отнимать по 3 от какого-то числа, которое называли исследователи. Затем участников просили вспомнить максимальное количество слов. 

Результаты первого эксперимента. Слева — процент правильно воспроизведенных слов в зависимости от порядка их предъявления. Справа — отличие в правильности воспроизведения первого (желтый) и второго (сиреневый) списка. Credit: van der Plas et al. / PLOS Biology 2021

Ученые проанализировали данные ЭЭГ участников во время стимуляции. Оказалось, что сразу после стимуляции в момент появления слова, которые нужно было запомнить, уровень бета-активности мозга снижался в обоих полушариях теменной коры. Изменений в других мозговых волнах ученые не обнаружили. 

На левом рисунке показана разность активности мозга при стимуляции DLPFC или вертекса ПЕРЕД запоминанием, на правой — ПОСЛЕ. Обратите внимание, что бета-активность словно исчезает из теменной коры. Credit: van der Plas et al. / PLOS Biology 2021

До появления слова, которое необходимо было запомнить, бета-активность увеличивалась, а после запоминания — уменьшалась. Ученые выяснили, что изменение бета-активности происходило не столько за счет изменения амплитуды волны, сколько из-за изменения апериодического компонента колебаний. Так, на графике ниже можно видеть, как изменяется сигнал (черная линия). Это изменение вызвано не столько самой активностью (красная линия), сколько наклоном этой активности в положительную или отрицательную сторону (синяя линия). 

Credit: van der Plas et al. / PLOS Biology 2021

Во втором эксперименте ученые решили проверить полученные данные. В отличии от первого исследования, они предложили одним и тем же людям запоминать два списка слов, только при запоминании одного они стимулировали вертекс, а при запоминании второго — DLPFC. Либо же наоборот.

Результаты второго эксперимента показали, что стимуляция улучшила память только в том случае, если применялась к префронтальной коре. 

Результаты второго эксперимента. Credit: van der Plas et al. / PLOS Biology 2021

Полученные результаты подтвердили, что уменьшение бета-активности в теменной коре — один из механизмов запоминания. Даже более – это показатель того, что человек запоминает в данный момент. 

Но почему же при стимуляции префронтальной коры наблюдались изменения в теменной зоне? Дело в том, что многие когнитивные функции базируют свою деятельность не на одной конкретной зоне мозга (локализационизм), а на группе зон. Чистота связи между этими группами и определяет эффективность протекания мыслительных процессов. Так, DLPFC и верхняя теменная кора образуют лобно-теменную сеть – тесно связанную группу нейронов. 

Credit: Wang et al. / Frontiers in Neuroscience 2016 

Видимо, в тандеме этих двух зон, префронтальная кора играет ведущую роль, определяя осцилляцию теменной коры (уменьшая бета-активность). 

В то же время любопытно, что ученые не упомянули про альфа-активность мозга. Таким образом, они подчеркнули, что ТМС повлияла только на бета-активность. Однако, в соответствии со многими экспериментами, перед уменьшением бета-активности префронтальная в коре также уменьшалась и альфа-активность. Это приводило к тому, что человек как бы “обращал внимание на слово”, “впускал новую информацию в мозг”, после чего снижалась бета-активность – то есть человек приступал к запоминанию. 

Текст: Никита Отставнов

Stimulation of the left dorsolateral prefrontal cortex with slow rTMS enhances verbal memory formation by Mircea van der Plas, et al. in PLOS Biology 2021. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001363