Новый математический подход дает представление о формировании памяти


Фото из открытых источников
Любое действие запускает нейроны человеческого мозга. В разное время во время действия возникает взрыв электрохимических событий или «нейронных спайков». Эти всплески активности, также известные как потенциалы действия, представляют собой электрические импульсы, которые возникают, когда нейроны общаются друг с другом.
 
Исследователи давно считали, что частота скачков напряжения связана с поведением и памятью. Когда животное движется по коридору, в гиппокампе (области мозга, участвующей в формировании памяти) возникают нейронные спайки, напоминающие карту GPS. Однако время, в которое происходят эти всплески, и их связь с событиями в реальном времени считалось случайным, пока не было обнаружено, что эти всплески происходят по определенной и точной схеме.
 
Разработав новый подход к изучению этого явления, нейробиологи Западного университета теперь могут анализировать время возникновения нейрональных спайков. Их исследование показало, что время всплесков может быть так же важно, как и частота всплесков, для поведения и памяти.
 
«Появляется все больше и больше экспериментальных данных о важности периодов спайков в сенсорных, моторных и когнитивных системах», — сказал старший автор исследования Лайл Мюллер. «Тем не менее, точные вычисления, которые выполняются во время спайков, остаются неясными. Одной из причин этого может быть то, что не существует четкого математического языка для обсуждения паттернов спайков в нейронах — именно это мы и намеревались разработать». 
 
В статье, опубликованной в журнале Physical Review E, описывается новый математический метод изучения нейронных кодов, происходящих во время импульсных последовательностей.
 
«Нейроны срабатывают в определенное время по отношению к «внутренним часам», и мы хотели знать, почему», — сказал соавтор статьи Алекс Буш. «Если нейроны уже отслеживают положение животного посредством частоты всплесков, зачем нам еще указывать конкретное время? Какую дополнительную информацию это дает?»
 
Буш вместе с соавтором Федерико Пасини, доцентом кафедры математики Гурон-колледжа, определил время пиков на основе известных экспериментальных данных. Изучая закономерности как код, исследователи смогли преобразовать время пиков в математическое уравнение.
 
«Это первый раз, когда мы можем задаться вопросом, какие вычисления можно выполнить с этими периодами всплесков. Мы обнаружили, что это больше, чем просто текущее местоположение; закономерность времен всплесков фактически создает связь между недавним прошлым и будущими предсказаниями, которые закодировано во времени самих всплесков», — сказал Буш. «Это те закономерности, которые могут быть важны для обучения и памяти».
 
Это исследование не только дает исследователям метод изучения времени спайков и его связи с поведением и памятью, но и открывает путь к изучению нарушений, обнаруженных при нейродегенеративных заболеваниях. Лучшее понимание значения времени спайков может привести к лучшему пониманию того, что происходит, когда паттерны спайков нарушаются при болезни Альцгеймера и других расстройствах памяти.
 
«Если у нас есть язык для измерения времени пиков, мы сможем понять, какие вычисления могут происходить. Если мы сможем понять эти вычисления, мы сможем понять, как они ломаются, и предложить новые методы для их устранения», — сказал Мюллер.