Исследование показывает, как мозг во время сна изучает осмысленные карты пространств
Хорошо известно, что нейроны места кодируют отдельные местоположения, но новые эксперименты и анализы показывают, что для создания «когнитивной карты» всей окружающей среды требуется более широкий ансамбль клеток, которому помогает сон, для создания более богатой сети в течение нескольких дней.
В первый день отпуска в новом городе ваши исследования открывают вам бесчисленное множество отдельных мест. Хотя воспоминания об этих местах (например, о прекрасном саде на тихой боковой улочке) кажутся неизгладимыми сразу, может пройти несколько дней, прежде чем у вас появится достаточно интуиции относительно района, чтобы направить нового туриста к этому же месту, а затем, возможно, к кафе, которое вы обнаружили неподалеку.
Новое исследование на мышах, проведенное нейробиологами Массачусетского технологического института в Институте обучения и памяти Пикауэра, предоставляет новые доказательства того, как мозг формирует связные когнитивные карты целых пространств, и подчеркивает решающую важность сна для этого процесса.
Ученые уже десятки лет знают, что мозг выделяет нейроны в области, называемой гиппокампом, для запоминания определенных мест. Так называемые «клетки места» надежно активируются, когда животное находится в месте, на запоминание которого настроен нейрон. Но полезнее, чем маркеры определенных мест, иметь ментальную модель того, как они все связаны в непрерывной общей географии. Хотя такие «когнитивные карты» были формально теоретизированы в 1948 году, нейробиологи остались неуверенными в том, как мозг их конструирует.
Новое исследование в декабрьском выпуске Cell Reports показывает, что эта способность может зависеть от тонких, но значимых изменений в течение дня в активности клеток, которые слабо настроены на отдельные местоположения, но которые повышают надежность и точность кодирования гиппокампом всего пространства. Анализы исследования показывают, что во время сна эти «слабо пространственные» клетки все больше обогащают активность нейронной сети в гиппокампе, чтобы связать эти места в когнитивную карту.
«В первый день мозг не очень хорошо представляет пространство», — говорит ведущий автор Вэй Го, научный сотрудник лаборатории старшего автора Мэтью Уилсона, профессора Шермана Фэрчайлда в Институте Пикауэра и на кафедрах биологии и мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.
«Нейроны представляют отдельные локации, но вместе они не образуют карту. Но на пятый день они формируют карту. Если вам нужна карта, вам нужно, чтобы все эти нейроны работали вместе в скоординированном ансамбле».
Мыши картографируют лабиринты
Для проведения исследования Го и Уилсон вместе с коллегами по лаборатории Цзе «Джеком» Чжаном и Джонатаном Ньюманом знакомили мышей с простыми лабиринтами различной формы и позволяли им свободно исследовать их примерно полчаса в день в течение нескольких дней. Важно отметить, что мышам не было поручено изучать что-либо конкретное посредством предложения каких-либо вознаграждений. Они просто бродили. Предыдущие исследования показали, что мыши естественным образом демонстрируют «скрытое обучение» пространствам из такого рода невознаграждаемого опыта через несколько дней.
Чтобы понять, как происходит латентное обучение, Го и его коллеги визуально отслеживали сотни нейронов в области CA1 гиппокампа, заставляя клетки вспыхивать, когда накопление ионов кальция делало их электрически активными. Они не только регистрировали вспышки нейронов, когда мыши активно исследовали, но и во время сна. Лаборатория Уилсона показала, что животные «воспроизводят» свои предыдущие путешествия во время сна, по сути, совершенствуя свои воспоминания, видя во сне свои переживания.
Анализ записей показал, что активность клеток места развивалась немедленно и оставалась сильной и неизменной в течение нескольких дней исследования. Но эта активность сама по себе не объяснила бы, как латентное обучение или когнитивная карта развиваются в течение нескольких дней.
В отличие от многих других исследований, где ученые сосредотачиваются исключительно на сильной и четкой активности клеток места, Го расширил свой анализ до более тонкой и загадочной активности клеток, которые не были так сильно пространственно настроены. Используя новую технику, называемую «многообразное обучение», он смог различить, что многие из «слабо пространственных» клеток постепенно коррелировали свою активность не с местоположениями, а с паттернами активности среди других нейронов в сети. Анализы Го показали, что по мере того, как это происходило, сеть кодировала когнитивную карту лабиринта, которая все больше напоминала буквальное, физическое пространство.
«Хотя слабопространственные клетки не реагируют на конкретные местоположения, как сильно пространственные клетки, они специализируются на реагировании на «ментальные местоположения», то есть на определенные ансамблевые паттерны активации других клеток», — пишут авторы исследования. «Если ментальное поле слабопространственной клетки охватывает два подмножества сильно пространственных клеток, которые кодируют различные местоположения, эта слабопространственная клетка может служить мостом между этими местоположениями».
Другими словами, активность слабо пространственных клеток, вероятно, связывает отдельные местоположения, представленные клетками места, в ментальную карту.
Потребность во сне
Исследования лаборатории Уилсона и многих других показали, что воспоминания консолидируются, совершенствуются и обрабатываются нейронной активностью, такой как воспроизведение, которое происходит во время сна и отдыха. Поэтому команда Го и Уилсона попыталась проверить, необходим ли сон для вклада слабо пространственных клеток в латентное обучение когнитивных карт.
Для этого они позволили некоторым мышам исследовать новый лабиринт дважды в течение одного дня с трехчасовой сиестой между ними. Некоторым мышам разрешили поспать, а некоторым нет. Те, которые это сделали, показали значительное улучшение своей ментальной карты, но те, которым не разрешили спать, не показали никаких улучшений.
Улучшилось не только сетевое кодирование карты, но и измерения настройки отдельных клеток во время сна показали, что сон помог клеткам лучше настроиться как на места, так и на паттерны сетевой активности, так называемые «ментальные места» или «поля».
Значение ментальной карты
«Когнитивные карты», которые мыши кодировали в течение нескольких дней, не были буквальными, точными картами лабиринтов, отмечает Го. Вместо этого они были больше похожи на схемы. Их ценность в том, что они предоставляют мозгу топологию, которую можно исследовать мысленно, без необходимости находиться в физическом пространстве.
Например, как только вы составите когнитивную карту окрестностей вокруг вашего отеля, вы можете спланировать экскурсию на следующее утро (например, вы можете представить, как покупаете круассан в пекарне, которую заметили в нескольких кварталах к западу, а затем представить, как едите его на одной из тех скамеек, которые заметили в парке вдоль реки).
Действительно, Уилсон предположил, что активность слабо пространственных клеток может накладываться на заметную непространственную информацию, которая придает картам дополнительный смысл (например, идея пекарни не является пространственной, даже если она тесно связана с определенным местом). Однако исследование не включало никаких ориентиров в лабиринтах и не проверяло никаких конкретных форм поведения среди мышей.
Но теперь, когда исследование выявило, что слабо пространственные клетки вносят значимый вклад в картографирование, Уилсон сказал, что будущие исследования могут изучить, какую информацию они могут включать в восприятие животными своей среды. Мы, кажется, интуитивно рассматриваем пространства, в которых мы обитаем, как нечто большее, чем просто наборы дискретных местоположений.
«В этом исследовании мы сосредоточились на животных, ведущих себя естественно, и продемонстрировали, что во время свободного исследовательского поведения и последующего сна, при отсутствии подкрепления, все еще происходят существенные нейронные пластические изменения на уровне ансамбля», — заключили авторы. «Эта форма неявного и неконтролируемого обучения представляет собой важнейший аспект человеческого обучения и интеллекта, требующий дальнейших углубленных исследований».