Уже почти 20 лет известно, что медленные, синхронные электрические волны в мозге во время глубокого сна способствуют формированию воспоминаний. Почему так происходит, ранее было неизвестно. Группа исследователей из Берлинского университета Шарите предложила свое объяснение. Согласно исследованию, медленные волны делают неокортекс, где хранится долговременная память, особенно восприимчивым к информации. Полученные результаты могут помочь оптимизировать подходы к лечению, направленные на поддержку формирования памяти извне. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Как формируются долговременные воспоминания? Эксперты считают, что во время сна наш мозг воспроизводит события дня, перемещая информацию из места кратковременной памяти, гиппокампа, в долговременную, расположенную в неокортексе. Особое значение в этом процессе имеют «медленные волны»: синхронные колебания электрического напряжения в коре головного мозга, возникающие в фазе глубокого сна. Их можно измерить с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Волны возникают, когда электрическое напряжение во многих нейронах повышается и понижается одновременно раз в секунду.
«Мы уже много лет знаем, что эти колебания напряжения способствуют формированию памяти», – объясняет профессор Йорг Гайгер, директор Института нейрофизиологии в Шарите и руководитель исследования. «Когда медленноволновой сон искусственно усиливается извне, память улучшается. Но до сих пор мы не знали, что именно происходит в это время внутри мозга, потому что изучать потоки информации в человеческом мозге крайне сложно».
Ученые использовали неповрежденную ткань человеческого мозга, что встречается крайне редко, чтобы прояснить процессы, которые с большой вероятностью лежат в основе формирования памяти во время глубокого сна. Согласно выводам, медленные электрические волны влияют на прочность синаптических связей между нейронами в неокортексе – а значит, и на их восприимчивость.
Команда изучила образцы неповрежденной ткани неокортекса, взятые у 45 пациентов, перенесших нейрохирургические операции по лечению эпилепсии или опухоли мозга. Исследователи смоделировали в ткани 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» коммуникацию между множеством нервных клеток, соединенных через ткань, было использовано до 10 «пипеток-щупов» одновременно – чрезвычайно большое число для этого метода.
Исследователи обнаружили, что синаптические связи между нейронами в неокортексе максимально усиливаются в совершенно определенный момент во время колебаний напряжения. «Синапсы работают наиболее эффективно сразу после того, как напряжение меняется от низкого к высокому», – объясняет Франц Ксавер Миттермайер, научный сотрудник Института нейрофизиологии и первый автор исследования. «В течение этого короткого промежутка времени кора головного мозга находится в состоянии повышенной готовности. Если мозг воспроизводит воспоминание именно в это время, оно переносится в долгосрочную память особенно эффективно». Таким образом, медленноволновой сон, очевидно, способствует формированию 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 методы оптимизируются методом проб и ошибок, это является трудоемким и длительным процессом», – говорят ученые. «Наши выводы об идеальном времени могут помочь в этом деле. Теперь, впервые, они позволяют целенаправленно разрабатывать методы стимуляции для ускорения формирования памяти».
[Фото: © Charité | Sabine Grosser]
