Предполагается, что консолидация памяти — процесс перевода информации из кратковременной памяти в долговременную — происходит в две фазы: гиппокампальную и кортикальную. Однако как именно развивается гиппокампально-кортикальный диалог, неизвестно. В новой работе, опубликованной в журнале Nature, исследователи рассматривали динамику связей между двумя структурами во время сна.
Credit: public domain
Перевод воспоминаний в долговременную память происходит через «общение» гиппокампа и коры. В процессе запоминания новая информация сначала требует участия гиппокампа, а затем она встраивается в корковые сети. Однако до сих пор не до конца ясно, как при «общении» гиппокампа и коры развиваются корковые репрезентации. Более того, неизвестно, в каких временных рамках происходит такая координация и какие процессы могут определять переходы между этапами во время объединения систем.
Исследователи из Калифорнийского университета (США) решили использовать задачу обучения моторному навыку на лабораторных крысах, чтобы проследить динамику перекрестной связи между гиппокампом и корой (префронтальной и первичной моторной) не только в состоянии бодрствования, но и во время фазы медленного сна (NREM). Животных обучали выполнению задачи «дотянуться до захвата гранулы» (reach-to-grasp single-pellet task). Нейронную активность в соответствующих областях мозга записывали с помощью вживленных в мозг микроэлектродных матриц.
Почему во сне? Для обучения каким-либо навыкам важна реактивация связанных с задачей нейронных ансамблей в моторной коре (М1) во время фазы медленного сна. Кроме того, медленные колебания во время сна (sleep slow oscillations, SOs) – явление, связанное с префронтальной корой (PFC) и гиппокампом – по-видимому, выступает критическим фактором локальной реактивации в M1. Вместе это предполагает, что консолидация моторных воспоминаний может включать диалог между корой и гиппокампом во время NREM.
Также недавние исследования с применением функциональной МРТ обнаружили доказательства активации гиппокампа на очень ранних стадиях консолидации памяти. Однако природа этой активации остается неясной, и, в частности, остается неизвестным, связаны ли гиппокампальные острые волны (sharp-wave ripples, SWRs) — ключевой нейрофизиологический маркер консолидации памяти в NREM — с обучением навыкам. Поэтому исследователи проверили гипотезу о том, что изменения связи между медленными колебаниями и островолновой рябью во время NREM разграничивают стадии консолидации.
Исследователи отталкивались от предположения, что если корковые взаимодействия во время NREM играют роль в консолидации памяти, то должны наблюдаться связанные с обучением изменения в координации медленных колебаний между PFC и M1. Действительно, связь медленных колебаний PFC–M1 медленно изменялась в течение суток. При этом более сильная связь наблюдалась во время сна после тренировки в позднем периоде обучения (10-13 дней) по сравнению с ранним (1-4 дня). Резкий переход к повышению связи наблюдается на шестой-седьмой день обучения.
Затем авторы работы перешли к вопросу о том, связана ли повышенная координация между PFC-M1 во времени с изменениями координации между гиппокампом и M1. Исследователи предположили, что процесс консолидации памяти в М1 эволюционирует, чтобы стать независимым от гиппокампа. Во время сна после тренировки в период раннего обучения наблюдалась значительно большая частота островолновых колебаний, по времени близкая к медленным колебаниям М1. Скорость изменения связи SO-SWR по сравнению со связью PFC-M1 при этом была выше во время сна до и после тренировки. Эти результаты, возможно, согласуются с представлениями о том, что гиппокамп – система быстрого обучения, а кора – медленного.
Полученные авторами работы данные также показывают, что полное вовлечение префронтальной коры и M1 в обучение во время NREM предположительно говорит о разъединении активностей гиппокампа и M1. Время нарастания связей PFC-M1 и время спада связей гиппокампа-M1 предполагают две отдельные стадии консолидации памяти.
Текущая модель консолидации памяти утверждает, что SWR гиппокампа служат для улучшения координации между кортикальными сетями. Поэтому исследователи задались вопросом, будет ли наличие SWR предсказывать увеличение перекрестной связи между префронтальной корой и M1. Авторы измерили временные задержки между активными состояниями SO в M1 и ближайшими активными состояниями SO в PFC и установили, что SWR связаны со значительно повышенной межобластной связью PFC-M1 во время связи SO.
Консолидация памяти обычно представляется как переход информации в кору с последующей независимостью от гиппокампа. Исследователи решили выяснить, прерывается ли «общение» между двумя системами во время периода обучения. Обнаружилось, что изменение параметров задачи (в данном случае необходимость смены лап для выполнения движения), меняют и гиппокампально-кортикальный диалог. Примечательно, что при последующих NREM связь SO-SWR в M1 повышалась.
Текст: Анна Удоратина
Cortical–hippocampal coupling during manifold exploration in motor cortex by Kim Jaekyung et al., Nature. Published: December 2022.
DOI: 10.1038/s41586-022-05533-z
Материал подготовлен в рамках совместного проекта с инфраструктурным центром «Нейронет». В нем мы освещаем мировые достижения в области нейротехнологий, нейроразвлечений и спорта, а также нейрообразования.
