Исследование памяти: раскрытие секретов мозга с помощью нейронаучных методологий

Память, способность кодировать, хранить и извлекать информацию, имеет основополагающее значение для нашей идентичности и нашего взаимодействия с миром. Понимание того, как работает память на нейронном уровне, является центральной целью нейронауки. Исследователи по всему миру используют широкий спектр сложных методов для раскрытия сложных механизмов, лежащих в основе формирования, консолидации и извлечения памяти. В этой статье блога рассматриваются некоторые из ключевых нейронаучных методологий, используемых в исследованиях памяти, с предоставлением информации об их принципах, применении и ограничениях.

I. Введение в системы памяти

Прежде чем углубляться в методологии, крайне важно понять различные системы памяти в мозге. Память — это не единое целое, а скорее совокупность отдельных процессов и областей мозга, работающих сообща. Некоторые ключевые системы памяти включают в себя:

• Сенсорная память: очень краткая и переходная форма памяти, хранящая сенсорную информацию в течение нескольких секунд.
• Кратковременная память (STM) или рабочая память: временная система хранения, удерживающая информацию в течение короткого периода (от секунд до минут). Рабочая память включает в себя активную манипуляцию информацией.
• Долговременная память (LTM): относительно постоянная система хранения с огромной емкостью. LTM далее делится на:
• Явная (декларативная) память: сознательное и преднамеренное воспоминание фактов и событий. Это включает семантическую память (общие знания) и эпизодическую память (личный опыт).
• Неявная (недекларативная) память: бессознательная и непреднамеренная память, включая процедурную память (навыки и привычки), прайминг и классическое обусловливание.

Различные области мозга задействованы в этих различных системах памяти. Гиппокамп особенно важен для формирования новых явных воспоминаний. Миндалевидное тело играет ключевую роль в эмоциональных воспоминаниях. Мозжечок важен для процедурной памяти, а префронтальная кора необходима для рабочей памяти и стратегического извлечения памяти.

II. Электрофизиологические методы

Электрофизиология включает в себя измерение электрической активности нейронов и нервных цепей. Эти методы дают представление о динамических процессах, лежащих в основе формирования и консолидации памяти.

A. Регистрация активности отдельных нейронов

Регистрация активности отдельных нейронов, часто выполняемая на животных моделях, включает в себя введение микроэлектродов в мозг для регистрации активности отдельных нейронов. Этот метод позволяет исследователям:

• Определять нейроны, реагирующие на определенные раздражители (например, клетки места в гиппокампе, которые активируются, когда животное находится в определенном месте). Открытие клеток места Джоном О’Кифом и его коллегами произвело революцию в нашем понимании того, как мозг представляет пространственную информацию.
• Изучать паттерны активности нейронов во время обучения и выполнения задач на память.
• Изучать синаптическую пластичность, усиление или ослабление связей между нейронами, что считается фундаментальным механизмом обучения и памяти. Долгосрочная потенциация (LTP) и долгосрочная депрессия (LTD) являются двумя хорошо изученными формами синаптической пластичности.

Пример: Исследования с использованием регистрации активности отдельных нейронов у грызунов показали, что клетки места в гиппокампе перестраивают свою активность при изменении окружающей среды, что предполагает участие гиппокампа в создании и обновлении когнитивных карт.

B. Электроэнцефалография (ЭЭГ)

ЭЭГ — это неинвазивная техника, которая измеряет электрическую активность в мозге с помощью электродов, помещенных на кожу головы. ЭЭГ обеспечивает измерение суммарной активности больших популяций нейронов.

ЭЭГ полезна для:

• Изучения колебаний мозга (ритмических паттернов электрической активности) на разных стадиях обработки памяти. Например, тета-колебания в гиппокампе связаны с кодированием и извлечением пространственных воспоминаний.
• Исследования роли сна в консолидации памяти. Было показано, что сонные веретена, всплески осцилляторной активности, которые возникают во время сна, связаны с улучшением памяти.
• Выявления нейронных коррелятов когнитивных процессов, связанных с памятью, таких как внимание и стратегии кодирования.

Пример: Исследователи используют ЭЭГ для изучения того, как различные стратегии кодирования (например, детальное повторение против механического запоминания) влияют на активность мозга и последующую производительность памяти. Исследования показали, что детальное повторение, которое предполагает соотнесение новой информации с существующими знаниями, приводит к большей активности в префронтальной коре и гиппокампе и приводит к лучшей памяти.

C. Электрокортикография (ЭКоГ)

ЭКоГ — более инвазивный метод, чем ЭЭГ, включающий размещение электродов непосредственно на поверхности мозга. Этот метод обеспечивает более высокое пространственное и временное разрешение, чем ЭЭГ.

ЭКоГ обычно используется у пациентов, перенесших операцию по поводу эпилепсии, что позволяет исследователям:

• Определять области мозга, участвующие в определенных функциях памяти.
• Изучать нейронную активность, связанную с кодированием, извлечением и консолидацией воспоминаний у людей.
• Исследовать влияние стимуляции мозга на память.

Пример: Исследования ЭКоГ выявили определенные области мозга в височной доле, которые имеют решающее значение для кодирования и извлечения различных типов информации, таких как лица и слова.

III. Методы нейровизуализации

Методы нейровизуализации позволяют исследователям визуализировать структуру и функцию мозга у живых людей. Эти методы предоставляют ценную информацию о нейронных коррелятах процессов памяти.

A. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)

фМРТ измеряет активность мозга, обнаруживая изменения кровотока. Когда область мозга активна, она требует больше кислорода, что приводит к увеличению кровотока в этой области. фМРТ обеспечивает превосходное пространственное разрешение, позволяя исследователям точно определять области мозга, участвующие в конкретных задачах на память.

фМРТ используется для:

• Определения областей мозга, которые активируются во время кодирования, извлечения и консолидации различных типов памяти.
• Исследования нервных сетей, которые поддерживают функцию памяти.
• Изучения влияния старения и неврологических расстройств на активность мозга во время задач на память.

Пример: исследования фМРТ показали, что гиппокамп активируется во время кодирования и извлечения эпизодических воспоминаний. Кроме того, префронтальная кора участвует в стратегических процессах извлечения, таких как мониторинг точности извлекаемой информации.

B. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

ПЭТ использует радиоактивные индикаторы для измерения активности мозга. ПЭТ предоставляет информацию о метаболизме глюкозы и активности нейротрансмиттеров в мозге.

ПЭТ используется для:

• Изучения влияния лекарств на активность мозга во время задач на память.
• Исследования роли различных систем нейротрансмиттеров в функции памяти. Например, исследования ПЭТ показали, что ацетилхолин важен для кодирования новых воспоминаний.
• Обнаружения изменений активности мозга, связанных со старением и нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера.

Пример: исследования ПЭТ выявили снижение метаболизма глюкозы в гиппокампе и височной доле у пациентов с болезнью Альцгеймера, что отражает прогрессивную потерю нейронов в этих областях.

C. Магнитоэнцефалография (МЭГ)

МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые электрической активностью в мозге. МЭГ обеспечивает отличное временное разрешение, позволяя исследователям отслеживать динамические изменения активности мозга, которые происходят во время обработки памяти.

МЭГ используется для:

• Изучения времени нейронных событий во время кодирования и извлечения.
• Исследования нейронных колебаний, связанных с различными стадиями обработки памяти.
• Определения источников активности мозга, которые способствуют определенным функциям памяти.

Пример: исследования МЭГ показали, что различные области мозга активируются в разное время во время извлечения памяти, отражая последовательную обработку информации, необходимой для восстановления прошлого.

IV. Генетические и молекулярные методы

Генетические и молекулярные методы используются для изучения роли определенных генов и молекул в функции памяти. Эти методы часто используются на животных моделях, но достижения в области генетики человека также дают представление о генетической основе памяти.

A. Исследования нокаута и нокдауна генов

Исследования нокаута генов включают удаление определенного гена из генома животного. Исследования нокдауна генов включают снижение экспрессии определенного гена. Эти методы позволяют исследователям:

• Определять роль определенных генов в формировании, консолидации и извлечении памяти.
• Определять молекулярные пути, имеющие решающее значение для функции памяти.

Пример: исследования с использованием мышей с нокаутом генов показали, что рецептор NMDA, рецептор глутамата, который имеет решающее значение для синаптической пластичности, необходим для формирования новых пространственных воспоминаний.

B. Исследования ассоциации всего генома (GWAS)

GWAS предполагает сканирование всего генома на предмет генетических вариаций, которые связаны с определенным признаком, таким как производительность памяти. GWAS может идентифицировать гены, которые способствуют индивидуальным различиям в способности к памяти и риску развития нарушений памяти.

Пример: GWAS выявили несколько генов, которые связаны с повышенным риском развития болезни Альцгеймера, включая гены, участвующие в обработке амилоида и функции тау-белка.

C. Эпигенетика

Эпигенетика относится к изменениям в экспрессии генов, которые не связаны с изменениями в самой последовательности ДНК. Эпигенетические модификации, такие как метилирование ДНК и ацетилирование гистонов, могут влиять на функцию памяти, изменяя доступность генов для факторов транскрипции.

Пример: исследования показали, что ацетилирование гистонов в гиппокампе необходимо для консолидации долговременных воспоминаний.

V. Оптогенетика

Оптогенетика — это революционная методика, которая позволяет исследователям контролировать активность определенных нейронов с помощью света. Этот метод предполагает введение светочувствительных белков, называемых опсинами, в нейроны. Освещая эти нейроны светом, исследователи могут активировать или ингибировать их активность с точностью до миллисекунд.

Оптогенетика используется для:

• Определения причинной роли определенных нейронов в процессах памяти.
• Исследования нервных цепей, которые лежат в основе функции памяти.
• Манипулирования формированием, консолидацией и извлечением памяти.

Пример: Исследователи использовали оптогенетику для повторной активации определенных воспоминаний у мышей. Освещая светом нейроны, которые были активны во время кодирования памяти, они смогли вызвать извлечение этой памяти, даже если исходный контекст отсутствовал.

VI. Вычислительное моделирование

Вычислительное моделирование включает создание математических моделей функции мозга. Эти модели можно использовать для моделирования процессов памяти и для проверки гипотез о лежащих в основе нейронных механизмах.

Вычислительные модели могут:

• Интегрировать данные с нескольких уровней анализа, от записи отдельных клеток до фМРТ.
• Генерировать прогнозы об активности мозга и поведении, которые можно проверить экспериментально.
• Предоставлять информацию о вычислительных принципах, лежащих в основе функции памяти.

Пример: Вычислительные модели гиппокампа использовались для моделирования формирования пространственных карт и для исследования роли различных типов клеток гиппокампа в пространственной навигации.

VII. Объединение методологий

Наиболее эффективный подход к изучению памяти предполагает объединение нескольких методологий. Например, исследователи могут объединить электрофизиологию с оптогенетикой, чтобы исследовать причинную роль определенных нейронов в процессах памяти. Они также могут объединить фМРТ с вычислительным моделированием для проверки гипотез о нейронных механизмах, лежащих в основе функции памяти.

Пример: Недавнее исследование объединило фМРТ с транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС), чтобы изучить роль префронтальной коры в рабочей памяти. ТМС использовалась для временного нарушения активности префронтальной коры, в то время как участники выполняли задачу рабочей памяти. фМРТ использовалась для измерения активности мозга во время выполнения задачи. Результаты показали, что нарушение активности префронтальной коры ухудшало производительность рабочей памяти и изменяло активность в других областях мозга, предполагая, что префронтальная кора играет решающую роль в координации активности всего мозга во время рабочей памяти.

VIII. Этические соображения

Как и любые исследования с участием людей или животных, исследования памяти поднимают важные этические соображения. К ним относятся:

• Информированное согласие: участники исследований с участием людей должны предоставить информированное согласие до участия. Они должны быть полностью проинформированы о рисках и преимуществах исследования.
• Конфиденциальность и конфиденциальность: исследователи должны защищать конфиденциальность и конфиденциальность данных участников.
• Благополучие животных: исследования на животных должны проводиться в соответствии со строгими этическими принципами для обеспечения благополучия животных.
• Возможность злоупотребления: исследования памяти потенциально могут быть использованы не по назначению для таких целей, как манипулирование или принуждение. Важно учитывать этические последствия этих исследований и разработать меры предосторожности для предотвращения неправильного использования.

IX. Будущие направления

Исследования памяти — это быстро развивающаяся область. Будущие направления в этой области включают в себя:

• Разработку новых и более сложных методологий: исследователи постоянно разрабатывают новые инструменты и методы для изучения памяти. К ним относятся новые методы нейровизуализации с более высоким пространственным и временным разрешением, а также более сложные генетические и оптогенетические инструменты.
• Исследование нейронных механизмов, лежащих в основе различных типов памяти: хотя многое известно о нейронных механизмах, лежащих в основе эпизодической и пространственной памяти, меньше известно о нейронных механизмах, лежащих в основе других типов памяти, таких как семантическая и процедурная память.
• Понимание влияния старения и неврологических расстройств на память: старение и неврологические расстройства, такие как болезнь Альцгеймера, могут оказывать разрушительное воздействие на память. Исследователи работают над тем, чтобы понять нейронные механизмы, лежащие в основе этих нарушений памяти, и разработать новые методы лечения для их предотвращения или обращения вспять.
• Разработку новых стратегий улучшения памяти: исследователи также работают над разработкой новых стратегий улучшения памяти у здоровых людей и у людей с нарушениями памяти. К ним относятся программы когнитивных тренировок, фармакологические вмешательства и методы стимуляции мозга.

X. Заключение

Исследования памяти — это динамичная и захватывающая область, которая предоставляет ценную информацию о работе мозга. Используя широкий спектр нейронаучных методологий, исследователи раскрывают сложности формирования, хранения и извлечения памяти. Эти знания могут улучшить наше понимание человеческого состояния и разработать новые методы лечения расстройств памяти. По мере развития технологий и расширения сотрудничества во всем мире мы можем ожидать еще более глубоких открытий в стремлении понять сложную работу памяти.