Эпизодическая память отражает способность человека запоминать моменты жизни словно кадры из фильмов. Ученые сходятся во мнении, что эпизодическая память зависит от активности височной и лобной долей мозга, а также от степени их связности. Развитие этих областей мозга идет в разных темпах, что может объяснять постепенное формирование эпизодической памяти. Ученые, используя метод электрокортигорафии (ЭКоГ), провели эксперимент с детьми от 5 до 20 лет, чтобы выяснить, что именно с возрастом меняется в активности лобной и височной долей. Их результаты, опубликованные в журнале Current Biology, показали, что одну из главных ролей в развитии эпизодический памяти играют тета-ритмы мозга.
Credit: public domain
The existence of brain signals is relatively known,
The content of the EEG signal is really unknown.
Пожалуй, наиболее важны в когнитивных исследованиях эксперименты, в которых изучаются возрастные изменения той или иной функции и связываются с созреванием или деградацией мозга. В нынешней работе ученые записали электрические сигналы с коры мозга.
Электрокортикография — это инвазивный метод, который используется для диагностики и поиска очагов эпилептической активности. Это методика отличается большей пространственной и временной точностью записи, чем традиционная ЭЭГ.
Дети в возрасте от 5.9 до 20.5 лет (21 пациент) проходили тест на эпизодическую память. Ученые показывали респондентам изображения какой-то сценки, а те должны были решить: изображено ли на картине что-то домашнее или же что-то уличное. Таких картинок было около 40. Спустя некоторое время участникам показывали еще 40 картинок, из которых 20 встречались на первом этапе тестирования, а другие 20 были новыми. Участникам предлагалось ответить, является ли картинка с их точки зрения старой или новой.
Credit: Elizabeth L. Johnson et. al. / Current Biology 2022
Одновременно с экспериментом ученые записывали активность лобной и височной долей. Записываемые области отмечены точками на рисунке ниже.
MTL — это средняя височная область, SFG — это верхняя, MFG — средняя, а IFG — нижняя лобные извилины, соответственно. Credit: Elizabeth L. Johnson et. al. / Current Biology 2022
Первое, что сделали ученые — это проверили гипотезу, что эпизодическая память развивается постепенно с возрастом. Они расположили на графике результаты участников с учетом их возраста и получили модель, явно доказывающую, что с возрастом тест на память решается лучше.
Сравнив активность мозга в тот момент, когда участник правильно отвечает на тест, с той, когда он ошибается, ученые увидели, что наибольшая разница наблюдалась в тета-диапазоне (от 2.5 до 10.4 Гц для детей): мощность тета-ритма была значительно выше для правильных ответов, и ниже — для неправильных. То есть по активности тета-ритма можно предсказать то, как формируется эпизодическая память.
Ученые обнаружили два пика тета-активности — около 2.91Гц (медленные тета-волны) и около 7.24Гц (быстрые тета-волны). Подобный паттерн тета-активности наблюдался и в лобной доле. Любопытно, что, как правило, тета-волны генерировались глубинными структурами мозга, в частности — гиппокампом. Однако в этом эксперименте они стали основным средством общения двух корковых долей мозга.
Далее ученые проанализировали, как тета-активность коррелирует с возрастом в разных областях мозга. Во всех зонах возрастные изменения проявлялись в ослаблении активности в медленных тета-ритмах и ускорении активности в быстрых.
Credit: Elizabeth L. Johnson et. al. / Current Biology 2022
Волны синхронизируются раз, волны синхронизируются два…
На следующем этапе ученые проверили, происходит ли синхронизация нейрональной активности в тета-диапазоне по амплитуде, либо по фазе между лобной и височной долями.
Оказалось, что амплитуда колебаний действительно синхронизируется, хотя и с некоторым временным лагом и только в медленном тета-диапазоне (сперва между нижней лобной извилиной (IFG) и средней височной долей (MTL), затем между верхней лобной извилиной (SFG) и средней височной долей(MTL)). Этот лаг означает, что главенствующую роль в общении двух структур мозга играет лобная кора.
Таким образом, коммуникация между височной и лобной долями зависит от взаимодействия средней и нижней лобных извилин со средней височной областью и поддерживает процесс развития эпизодической памяти с возрастом. При этом их взаимодействие проявляется в амплитудной синхронизации медленных тета-волн и фазовой синхронизации быстрых тета-волн.
Раз возникает синхронизация, значит существует какой-то нейрональный механизм, поддерживающий коммуникацию двух областей. С помощью диффузионно-взвешенной визуализации на 11 из 21 респондентов ученые проверили, созревание какой области белого вещества мозга сопутствует выявленным эффектам в осцилляции и памяти.
У участников, которые наилучшим образом прошли тестирование на память, наблюдалось наиболее высокое значение «созревания» в поясном (цингулярном) пучке аксонов. Подобного не наблюдалось в других аксональных пучках.
Credit: public domain
Cозревание поясного пучка положительно и значимо коррелировало с эффектами медленных и быстрых тета-волн, и, судя по всему, обусловило полученные результаты анализа мозговых колебаний.
Credit: Elizabeth L. Johnson et. al. / Current Biology 2022
Таким образом, ученые показали, что тета-активность между лобной и височной долями мозга — это основа развития эпизодической памяти. Эта активность носит неоднородный характер, позволяя выделить медленные тета-волны, взаимодействующие между зонами мозга преимущественно через амплитудную синхронизацию, и быстрые тета-волны, которым характерна фазовая синхронизация. При этом механизмы тета-колебаний скорее всего связаны с цингулярным поясным пучком аксонов — именно они связывают две исследуемые области.
Текст: Никита Отставнов
Dissociable oscillatory theta signatures of memory formation in the developing brain by Elizabeth L. Johnson et. al. in Current Biology. Published April 2022. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.01.053
