Уже почти 20 лет известно, что медленные, синхронные электрические волны в мозге во время глубокого сна поддерживают формирование воспоминаний. Почему это так, ранее было неизвестно.

Теперь, в журнале Nature Communications , группа исследователей из Charité—Universitätsmedizin Berlin предлагает объяснение. Согласно исследованию , медленные волны делают неокортекс, место долговременной памяти , особенно восприимчивым к информации. Результаты могут помочь оптимизировать подходы к лечению, которые направлены на поддержку формирования памяти извне.

Как формируются постоянные воспоминания? Эксперты полагают, что пока мы спим, наш мозг воспроизводит события дня, перемещая информацию из краткосрочной памяти, гиппокампа, в долгосрочную память, расположенную в неокортексе.

«Медленные волны» особенно важны для этого процесса: медленные, синхронные колебания электрического напряжения в коре головного мозга, которые происходят во время фазы глубокого сна. Их можно измерить с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Волны возникают, когда электрическое напряжение во многих нейронах одновременно повышается и понижается один раз в секунду.

«Мы уже много лет знаем, что эти колебания напряжения способствуют формированию памяти», — объясняет профессор Йорг Гейгер, директор Института нейрофизиологии в Шарите и руководитель недавно опубликованного исследования.

«Когда медленноволновой сон искусственно усиливается извне, память улучшается. Но до сих пор мы не знали, что именно происходит внутри мозга, когда это происходит, потому что чрезвычайно сложно изучать потоки информации внутри человеческого мозга».

Десять «щупалец» для отслеживания глубокого сна: этот дружелюбный на вид микроскоп сыграл важную роль в расшифровке эффектов медленных волн, типичных для сна. Оснащенный десятью стеклянными пипетками, которые можно контролировать с точностью до нанометра с помощью роботизированных рук, он может стимулировать и считывать электрическую активность такого же количества нервных клеток в соединительной ткани. Кредит: Charité | Franz Xaver Mittermaier

Медленные волны укрепляют синапсы
Он и его команда теперь использовали неповрежденную ткань человеческого мозга, что встречается крайне редко, чтобы прояснить процессы, которые, скорее всего, лежат в основе формирования памяти во время глубокого сна. Согласно их выводам, медленные электрические волны влияют на силу синаптических связей между нейронами в неокортексе — и, таким образом, на их восприимчивость.

В ходе своего исследования группа ученых изучила образцы неповрежденной ткани неокортекса, взятые у 45 пациентов, перенесших нейрохирургическую операцию по лечению эпилепсии или опухоли головного мозга в клинике Charité, больнице Evangelisches Klinikum Bethel (EvKB) или Университетском медицинском центре Гамбург-Эппендорф (UKE).

Исследователи смоделировали в тканях колебания напряжения, характерные для медленных мозговых волн во время глубокого сна, а затем измерили реакцию нервных клеток .

Для этого они использовали стеклянные микропипетки, расположенные с точностью до нанометра. Чтобы «прослушать» коммуникации между несколькими нервными клетками, соединенными через ткань, они использовали до 10 «пипеточных щупов» одновременно — очень большое количество для этого метода, который известен как метод мультипатча.

В использовании десять «щупов-пипеток». Фото: Шарите | Янфан Пэн
Идеальное время способствует формированию памяти
Группа исследователей обнаружила, что синаптические связи между нейронами в неокортексе максимально усиливаются в определенный момент времени во время колебаний напряжения.

«Синапсы работают наиболее эффективно сразу после того, как напряжение повышается с низкого до высокого», — объясняет Франц Ксавер Миттермайер, научный сотрудник Института нейрофизиологии в Шарите и первый автор исследования.

«В течение этого короткого временного окна кора может считаться находящейся в состоянии повышенной готовности. Если мозг воспроизводит воспоминание именно в это время, оно особенно эффективно переносится в долговременную память. Таким образом, медленноволновой сон, очевидно, поддерживает формирование памяти, делая неокортекс особенно восприимчивым в течение многих коротких периодов времени».

Эти знания могут быть использованы для улучшения памяти, например, при легких когнитивных нарушениях у пожилых людей. Исследовательские группы по всему миру работают над методами использования тонких электрических импульсов — транскраниальной электростимуляции — или акустических сигналов для воздействия на медленные волны во время сна.

«Однако сейчас эти подходы к стимуляции оптимизируются методом проб и ошибок, что является трудоемким и длительным процессом», — говорит Гейгер. «Наши выводы об идеальном времени могут помочь в этом. Теперь, впервые, они позволяют целенаправленно разрабатывать методы стимуляции для ускорения формирования памяти».