Скажем, вы встречаете старого друга на вокзале. Она стоит примерно в метре от вас, а на рельсах справа от вас только что подъехал поезд. Позади своего друга вы видите пекарню. Мы часто вспоминаем такие сцены в ярких деталях. Но как именно мы это делаем, формируя мысленные образы, долгое время оставалось загадкой.
Многие исследователи сравнивают чье-то воспоминание об эпизоде из своей жизни (эпизодическая память) с повторным переживанием исходного события. Что неясно, так это то, как этот процесс может быть реализован в головном мозге на уровне отдельных клеток мозга (нейронов). Теперь наше новое исследование, опубликованное в eLife, предлагает следующее:.
Можно измерить активность отдельных клеток головного мозга. Эксперименты с грызунами показали, что определенные клетки активны всякий раз, когда животное находится в определенном месте окружающей среды. Эти так называемые "разместить клетки" поэтому представляют положение животного в данной среде.
Точно так же другие клетки мозга срабатывают всякий раз, когда есть граница окружающей среды – например, стены комнаты – на определенном расстоянии и в определенном направлении от животного. Такие открытия дали нам ключ к разгадке того, как пространственные отношения представлены в мозгу. Когда вы встречаетесь со своим другом на вокзале, клетки вашего мозга, которые представляют ваше местоположение относительно вокзала, должны быть активными. Точно так же другие клетки будут сигнализировать о присутствии "объекты" (как ваш друг, пекарня и поезд) на заданных расстояниях и направлениях от вас. Еще другие клетки сигнализируют об идентичности этих предметов. Однако неизвестно, как все эти клетки могут работать вместе, чтобы реализовать психические процессы, участвующие в восприятии, запоминании и даже воображении жизненных событий.
На более абстрактном уровне все эти элементы – ваш друг, пекарня и поезд – и их пространственное расположение вместе образуют то, что психологи называют "сцена". Срок "строительство сцены" обозначает все психические процессы, связанные с восприятием, запоминанием и даже представлением сцен. Таким образом, знание того, как разные ячейки работают вместе, позволило бы понять эти абстрактные понятия на уровне отдельных ячеек.
Уже давно известно, что область мозга, известная как гиппокамп, имеет решающее значение для памяти. Однако сообщалось, что пациенты с повреждением гиппокампа также испытывают трудности с представлением связных пространственных сцен, что позволяет предположить, что воображение пространственных переживаний связано с памятью. Впоследствии сканирование мозга показало, что воображение нового опыта и вспоминание воспоминаний действительно задействуют перекрывающиеся области мозга.
Активность в гиппокампе. Автор предоставил
Однако методы визуализации мозга обычно выявляют области мозга, которые могут содержать миллионы клеток, включая множество отдельных сетей, потенциально представляющих различную информацию. Поэтому трудно сказать, как ведут себя отдельные сети клеток, на основе сканирования мозга.
Моделирование памяти
Наша цель состояла в том, чтобы собрать воедино все свидетельства на уровне отдельных нейронов и использовать их для моделирования кодирования и воспроизведения сцен, содержащих значимые элементы (например, ваш друг на вокзале). Для этого мы назначили определенные роли большому количеству пространственно избирательных ячеек (например, ячеек места), связав их все вместе с помощью синаптических связей в модели.
Случаи, что пространственно избирательные клетки мозга участвуют в памяти, уже приводились ранее, но сопоставление их с нашим опытом выявило интересное несоответствие. Пространственно селективные ячейки представляют элементы сцены относительно самой сцены. То есть пространственно-избирательные клетки мозга кодируют наше местоположение и расположение элементов сцены в "ориентированный на мир" термины. Для простоты мы можем сравнить эту систему отсчета с направлениями по компасу – поезд находится к юго-востоку от пекарни, потому что это правда, независимо от нашего собственного положения и ориентации.
Однако наше прямое пространственное восприятие, когда мы воспринимаем сцену, "эгоцентричный" в природе. То есть мы воспринимаем поезд как справа от нас, а нашего друга как опережающего нас. Итак, как нейроны в гиппокампе и рядом с ним представляют границы и объекты окружающей среды в мировом формате, когда мы запоминаем сцену??
Запоминание макета сцены в терминах, ориентированных на мир, имеет то преимущество, что вам нужно запоминать только один набор связанной информации – например, поезд идет к юго-востоку от пекарни, независимо от нашей ориентации (поезд может быть справа от нас или слева от нас в зависимости от того, в какую сторону мы смотрим).
Преобразование нейронных представлений
Наша модель показывает, что это преобразование (от эгоцентрического к мироцентрическому) может быть выполнено другой сетью пространственно избирательных нейронов. Нейроны, представляющие расположение объектов в эгоцентрической системе отсчета (впереди, влево, вправо), будут управлять ячейками в сети трансформации, которая, в свою очередь, активирует ячейки, которые составляют мировоцентричные представления. Укрепление связей между этими последними клетками тогда соответствует закладке памяти в долгосрочное хранение.
Важно отметить, что эта схема трансформации также будет действовать в обратном направлении – нейроны, которые кодируют долговременные воспоминания, могут реактивировать клетки, которые представляют местоположения объектов в эгоцентрических терминах. Другими словами, исходное событие можно было пережить заново позже. Таким образом, модель памяти реализует форму образов, где клетки, которые изначально были вызваны восприятием во время исходного события, позже повторно активируются из памяти. Важно отметить, что точное содержание реконструкции зависит от воображаемого заголовка. Если бы схема трансформации активировала ячейки, представляющие поезд, находящийся слева от вас, а не справа, мы бы вообразили, что смотрят на юг, а не на север.
Модель позволила нам смоделировать повреждение мозга как у людей, так и у грызунов, исследуя различные аспекты амнезии. Например, повреждение цепи трансформации может привести к тому, что мы не сможем вспомнить какое-то воспоминание. Интересно, что наша модель предполагает, что память технически все еще присутствует в гиппокампе и рядом с ним, но субъект не сможет восстановить его мысленный образ.
Хотя еще слишком рано моделировать определенные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, модель может стать хорошей отправной точкой для вывода, как диффузное повреждение мозга, охватывающее несколько областей мозга с различными функциями и содержащее разные пространственно избирательные клетки, может влиять на познание.