Как разные части мозга взаимодействуют друг с другом во время обучения и формирования памяти? Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Сан-Диего, делает первый шаг к ответу на этот фундаментальный вопрос нейробиологии.

Исследование стало возможным благодаря разработке нейронного имплантата, который отслеживает активность разных частей мозга одновременно, от поверхности до глубоких структур - впервые в этой области. Используя эту новую технологию, исследователи показывают, что между двумя областями мозга, которые, как известно, играют роль в обучении и формировании памяти, - гиппокампом и корой головного мозга, возникают различные паттерны двусторонней связи. Исследователи также предполагают, что эти различные паттерны связаны с явлениями, называемыми резкими волнами, которые возникают в гиппокампе во время сна и отдыха.

Исследователи опубликовали свои выводы 19 апреля в журнале Nature Neuroscience (https://www.nature.com/articles/s41593-021-00841-5).

«Эта технология была разработана специально для изучения взаимодействий и коммуникаций между различными областями мозга одновременно», - сказал соавтор-корреспондент Дуйгу Кузум, профессор электротехники и компьютерной инженерии в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Наш нейронный имплантат универсален; он может быть применен к любой области мозга и может позволить изучить другие корковые и подкорковые области мозга, а не только гиппокамп и кору головного мозга».

«Мало что известно о том, как различные области мозга работают вместе, чтобы генерировать познание и поведение», - сказал Такаки Комияма, профессор нейробиологии и нейробиологии в Медицинской школе и отделении биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего, который является другим соавтором исследования. . «В отличие от традиционного подхода к изучению одной области мозга за раз, новая технология, представленная в этом исследовании, позволит нам узнать, как мозг в целом работает для управления поведением и как этот процесс может быть нарушен при неврологических расстройствах".

Мотивация для этого исследования заключалась в том, чтобы выяснить, как различные когнитивные процессы, такие как обучение и формирование памяти, происходят в мозгу. Такие процессы включают связь между гиппокампом и корой головного мозга. Но как именно происходит этот процесс? И какая область мозга инициирует этот процесс: гиппокамп или кора головного мозга? По словам Кузума, эти вопросы остались без ответа, потому что очень трудно одновременно изучать эти две области мозга.

Исследователи использовали свой зонд для мониторинга активности гиппокампа и коры головного мозга у трансгенных мышей. В частности, они отслеживали активность до, во время и после колебаний, возникающих в гиппокампе, называемых резкими волнами.

Их эксперименты показали, что связь между гиппокампом и корой головного мозга двусторонняя: иногда кора головного мозга инициирует коммуникацию, а иногда - гиппокамп. По словам исследователей, это первый важный ключ к пониманию межобластной коммуникации в мозге.

«Гиппокампально-кортикальное взаимодействие важно для консолидации и восстановления памяти», - сказал Рен. «Двусторонняя коммуникация отличается от общепринятого представления о том, что кора головного мозга пассивно получает информацию от гиппокампа. Вместо этого кора головного мозга активно участвует в кодировании информации в головном мозге и может играть поучительную роль во время консолидации и восстановления памяти".

«Теперь мы можем начать новые исследования, чтобы узнать, как происходят такие процессы, как обучение и память», - сказал Кузум. «Например, когда мозг получает новую информацию, как гиппокамп передает память в кору для хранения или кора головного мозга посылает сигнал для передачи памяти? Наши результаты показывают, что коммуникация может быть инициирована любым из них, но помимо этого нам нужно будет провести поведенческие исследования ».

Это исследование также показывает, что между гиппокампом и корой головного мозга существуют различные способы связи. Исследователи обнаружили, что гиппокамп взаимодействует как минимум с восемью различными частями коры головного мозга каждый раз, когда возникает резкая волна. Кроме того, каждый из этих восьми паттернов корковой активности привязан к разной популяции нейронов в гиппокампе.

«Эти результаты предполагают, что взаимодействия между областями мозга, а не только между корой и гиппокампом, могут быть фундаментально разнообразными и гибкими. Следовательно, несколько областей мозга могут эффективно работать вместе, чтобы генерировать познание и поведение, которые быстро адаптируются к меняющейся среде», - сказал Рен.