Специалисты из США установили, каким образом нейросеть в мозге дрозофилы стремительно переходит от слежения за актуальным направлением к его кратковременному удержанию. Аромат еды вызывает совместную работу двух групп клеток, за счет чего насекомое продолжает следовать выбранным курсом и после того, как запах пропадает. Как работают нейронные «ворота», зачем памяти одновременно нужны стабильность и пластичность и что опыты на мухах способны прояснить о функционировании мозга — в публикации «Известий».
Для чего мозгу нужна память на несколько секундКод подтверждения требуется только до момента, когда его введут в соответствующее поле. Начало фразы приходится держать в уме, чтобы осознать ее окончание. Направление перемещения иногда нужно сохранить, если ориентир ненадолго пропадает. Во всех подобных ситуациях сведения остаются доступными для выполняемой задачи.
Эту задачу решает рабочая память. Национальный институт психического здоровья США (NIMH) описывает ее как деятельное сохранение и пластичное обновление данных, связанных с целью или задачей. У нее ограниченный объем, и она обязана сопротивляться помехам.
Справка «Известий»Кратковременная и рабочая память — близкие, но не полностью тождественные понятия. Первое относится к временному хранению данных, второе — к их удержанию и применению в текущей деятельности. В новом исследовании ученые разбирали конкретную навигационную задачу: как мозг мухи удерживает направление, нужное для продолжения движения.
Тут появляется принципиальная сложность. Сигнал обязан быть достаточно стабильным, чтобы не пропасть сразу после внешнего стимула. Но сеть должна и быстро изменять состояние, когда прежняя информация становится ненужной. Механизм, который хорошо сохраняет сигнал, еще не обязательно способен вовремя остановить его удержание.
Почему память исследовали на плодовых мушкахВ человеческом мозге насчитываются десятки миллиардов нейронов, а у дрозофилы — меньше 200 тыс. Но у данных нервных систем имеются общие принципы строения и передачи сигналов между клетками. Поэтому дрозофила служит удобной моделью для исследования отдельных механизмов работы мозга.
Еще один плюс — детальная карта связей в мозге взрослой мухи. Ее именуют коннектомом; она демонстрирует, какие нейроны связаны между собой. Подобная карта помогает выявлять цепи, которые потенциально задействованы в конкретном поведении.
Однако одной анатомической схемы мало. Наличие связи между двумя клетками не значит, что они всегда взаимодействуют одинаково. Их деятельность способна меняться в зависимости от внешних сигналов и состояния животного.
Поэтому ученые сравнивали организацию нейронной сети с активностью клеток и поведением мух. Им было интересно, каким образом определенная цепь переходит от приема текущей информации к ее сохранению.
Как аромат инициировал движениеВ ходе эксперимента мухам подавали аромат яблочного уксуса. Насекомые начинали перемещаться в сторону запаха и продолжали движение еще несколько секунд после того, как он исчезал. Подобное поведение позволяло отследить, как мозг сохраняет навигационную цель при короткой утрате внешнего сигнала. Запах больше не поступает, однако выбранное направление еще удерживается и влияет на движение.
Чтобы следить за активностью мозга, применяли установку, где муха могла шагать по небольшому шару, который поддерживался потоком воздуха. Его вращение давало возможность фиксировать перемещения насекомого. В установке также управляли подачей запаха и направлением воздушного потока.
Ученые анализировали активность нервных клеток, записывали их электрические сигналы и применяли компьютерное моделирование. Комбинация этих методов дала возможность проверить, какие взаимодействия могут объяснить наблюдаемое поведение.
Какие нейроны сохраняли направление«Наше исследование показывает, как нейронная цепь формирует кратковременную память в ответ на запах, позволяя мухе запомнить направление и двигаться к его источнику», — заявила старший автор работы, доцент кафедры нейронаук медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета Кэтрин Нейгел.
В фокусе исследования находились две группы нейронов — PFG и hΔK. При направленном движении они показывали похожие стабильные паттерны активности, что говорило об их совместной работе.
Такие клетки формируют сеть с обратными связями: сигналы способны проходить между группами нейронов и поддерживать активность внутри цепи. Подобная организация дает информации возможность некоторое время сохраняться после исчезновения внешнего стимула.
Справка «Известий»Такие цепи именуют аттракторными сетями. Аттрактор — стабильное состояние, к которому приходит система. В этом случае речь идет о стабильном распределении активности нейронов, связанном с выбранным направлением.
Но подобная устойчивость порождает и проблему. Если активность поддерживает сама себя, требуется объяснить, каким образом сеть быстро перестает удерживать прежний сигнал и начинает работать с новой информацией. Именно механизм переключения стал главным предметом исследования.
Что демонстрирует эксперимент и чего он не подтверждаетПолученные данные приводят конкретный пример того, как сеть с обратными связями способна поддерживать временный сигнал и быстро переходить между состояниями. Компьютерная модель повторяла ключевые особенности активности изученных нейронов, а наблюдения за клетками согласовывались с предложенным механизмом.
Но исследование посвящено конкретной цепи в мозге дрозофилы и определенному поведению — навигации, которая запускается запахом. Оно не утверждает, что все виды кратковременной памяти действуют по одной схеме.
Временное сохранение направления у мухи тоже нельзя прямо приравнять к запоминанию числового кода или пониманию предложения человеком. Такие задачи относятся к разным условиям и нервным системам. Их объединяет более общий вопрос: как удержать актуальные сведения, не утратив способность быстро их обновить.
Авторы интересуются вероятностью наличия похожего принципа в других нейронных сетях. Но для такого заключения нужно отдельно изучать их строение и работу. Текущий результат прежде всего уточняет механизм в изученной цепи.