Центры памяти в головном мозге: Создана самая подробная карта связей в мозге: какие нестыковки нашли ученые
Создана самая подробная карта связей в мозге: какие нестыковки нашли ученые
Анастасия Никифорова Новостной редактор
Анастасия Никифорова Новостной редактор
Исследователи разработали самую подробную карту человеческого мозга из когда-либо созданных. Особое внимание уделили коммуникационным связям в гиппокампе. «Хайтек» рассказывает главное.
Читайте «Хайтек» в
Австралийские ученые сделали самую подробную карту коммуникационных связей между гиппокампом — центром управления памятью — и остальной частью мозга. Это изменит представления биологов о человеческой памяти.
Результаты исследования опубликованы в журнале eLife.
Как работает гиппокамп?
Гиппокамп — часть мозга, которая отвечает за память, особенно за долговременную и кратковременную. Также он важен для работы пространственной памяти, который помогает запоминать местоположение человека в пространстве.
Гиппокамп находится в височной доле. Это важнейшая часть мозга, отвечающая не только за хранение воспоминаний, но и за их формирование. Собственно, височная доля и «отвечает» за личность человека, то, каким он будет. Гиппокамп также переводит воспоминания из краткосрочного в долгосрочное хранилище в головном мозге.
Поперечное сечение человеческого мозга, показывающее гиппокамп. Иллюстрация: Маршалл Далтон/ Сиднейский университетТакже гиппокамп помогает человеку в создании мысленных образов.
Что сделали ученые?
В рамках нового исследования австралийские ученые создали очень подробную карту путей белого вещества, которые и соединяют гиппокамп с остальной частью мозга.
По сути, это дорожная карта областей мозга, которые напрямую связаны с гиппокампом и поддерживают его работу по формированию памяти.
Белое вещество (лат. substantia alba) — компонент центральной нервной системы позвоночных животных, состоящий главным образом из пучков аксонов, покрытых миелином. Противопоставляется серому веществу мозга, состоящему из клеточных тел-нейронов.
Создание карты
Для создания карты исследовательская группа использовала МРТ-сканы из базы данных нейровизуализаций, созданных для проекта Human Connectome Project (HCP).
Human Connectome Project — это пятилетний проект, который спонсируется Национальными институтами здравоохранения. Согласно презентации, он «решает одну из величайших научных задач XXI век века: составляет карту человеческого мозга, стремясь связать его структуру с функциями и поведением».
Графика, показывающая процесс картирования гиппокампа. Фото: Маршалл Далтон/ Сиднейский университетИсследователи обработали данные HCP.
Специальная методика помогла ученым проследить связи из всех частей человеческого мозга, которые ведут к конечным точкам внутри гиппокампа. Как объясняют участники проекта, биологи «подробно изучили пути белого вещества, которые, по сути, являются коммуникационными путями между различными областями мозга».
Также ученые сами разработали подход, который помог очень подробно картрировать то, как гиппокамп соединяется с корковой мантией, внешним слоем мозга. Раньше исследователи могли только представить себе связи в гиппокампе из-за технических ограничений.
Результаты исследования
Ученые обнаружили, что большинство результатов согласуются с данными прошлых исследований, которые основывались на посмертных исследованиях мозга приматов. Однако есть и ключевые различия. Так, количество связей между гиппокампом и некоторыми частями мозга было либо больше, либо меньше, чем предполагали ученые.
Например, между гиппокампом и лобными областями коры оказалось меньше связей, чем ожидалось, а в областях обработки зрительной информации — больше.
Фото: Маршалл Далтон/ Сиднейский университет
Ученые объяснили эту «нестыковку». Либо все дело в отличиях мозга человека от других приматов, либо в ограничениях техники МРТ-сканирования. Однако ученые все равно удивились. Одна из теорий состоит в том, что гиппокамп играет важную роль не только в работе памяти, но и в воображении, а также способности создавать мысленные образы.
Что дальше?
Кроме того, что создание такой карты — сам по себе впечатляющий проект, она пригодится и на практике. Например, в будущей диагностике дегенеративных заболеваний, влияющих на память, таких как болезнь Альцгеймера. Это наиболее распространенный тип деменции. Согласно данным Центров по контролю заболеваний, число людей, живущих с этим диагнозом, удваивается каждые 5 лет. Так, по прогнозам, к 2060 году это число почти утроится и достигнет 14 млн человек. Тем не менее, специфического лечения так и нет.
Читать далее:
Названы последствия утечки газа из «Северного потока»
Массивный удар космического объекта запустил магнитное поле Земли
Названа главная опасность храпа: ученые рассказали, как это влияет на мозг
Механизмы и принципы работы памяти головного мозга человека / Хабр
Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.
В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине.
Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.
Первое что вы должны знать: мозг человека — самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.
Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.
Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.
Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.
Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной энорго незатратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергонезависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.
Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.
Неокортекс:
Глии, связи нейронов:
Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.
Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности.
Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.
Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию.
Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения.
Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки).
Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.
ученых создали самую подробную карту узла памяти мозга, и это может изменить наше понимание памяти
3 января 2023 г.
Очень подробная «схема соединений» человеческого мозга раскрывает множество различных связей.
Авторы и права: Human Connectome Project
Австралийские ученые создали самую подробную карту коммуникационных связей между гиппокампом, центром управления памятью и остальными частями мозга, что потенциально изменит наше понимание человеческой памяти.
«Мы были удивлены, обнаружив меньше связей между гиппокампом и лобными областями коры и больше связей с областями ранней обработки зрительной информации, чем мы ожидали увидеть», — сказал доктор Маршалл Далтон, научный сотрудник Школы психологии Университета. Сиднея. «Хотя это имеет смысл, учитывая, что гиппокамп играет важную роль не только в памяти, но и в воображении и нашей способности создавать мысленные образы в нашем воображении».
Расположенный в головном мозге гиппокамп представляет собой сложную структуру, напоминающую морского конька. Это важно для мозга и играет решающую роль в формировании памяти, а также в переносе воспоминаний из краткосрочного в долгосрочное хранилище. В дополнение к этим функциям гиппокамп также играет роль в навигации, способности представлять будущие или вымышленные переживания, создании мысленных образов и даже в визуальном восприятии и принятии решений.
Рисунок, показывающий процесс картирования гиппокампа, выполненный командой Университета Сиднея. Авторы и права: Маршалл Далтон/ Сиднейский университет
Для создания своей карты команда под руководством доктора Далтона, в которую входят доктор Аркиев Д’Суза, доктор Джинглей Л.в. и профессор Фернандо Каламанте из Сиднейского университета
Университет of Sydney) — государственный исследовательский университет, расположенный в Сиднее, Новый Южный Уэльс, Австралия. Основанный в 1850 году, он является старейшим университетом Австралии и неизменно входит в число лучших университетов мира. Университет Сиднея уделяет большое внимание исследованиям и предлагает широкий спектр программ бакалавриата и магистратуры по различным дисциплинам, включая искусство, бизнес, инженерное дело, право, медицину и науку.
» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Центр мозга и разума Сиднейского университета – опирался на МРТ из базы данных нейровизуализации созданный для проекта Human Connectome Project (HCP), исследовательского консорциума, возглавляемого Национальным институтом здравоохранения США.
Они обработали существующие данные HCP, используя разработанные ими специальные методы. их конечные точки находятся в гиппокампе, чего раньше никогда не было в человеческом мозгу.0003
Самая подробная карта на сегодняшний день
«Что мы сделали, так это гораздо более подробно изучили пути белого вещества, которые, по сути, являются коммуникационными путями между различными областями мозга», — сказал доктор Далтон. «И мы разработали новый подход, который позволил нам составить карту того, как гиппокамп соединяется с корковой мантией, внешним слоем мозга, но очень подробно.
«Мы создали очень подробную карту путей белого вещества, соединяющих гиппокамп с остальной частью мозга. По сути, это дорожная карта областей мозга, которые напрямую связаны с гиппокампом и поддерживают его важную роль в формировании памяти».
Изображение с высоким разрешением «электрической схемы» человеческого мозга, показывающее связи с гиппокампом. Предоставлено: Marshall Dalton/ University of Sydney
Технические ограничения, присущие предыдущим МРТ-исследованиям гиппокампа человека, означали, что визуализировать его связи можно было только в очень общих чертах.
«Но теперь мы разработали индивидуальный метод, который позволяет нам подтвердить, где в гиппокампе соединяются различные области коры. И это не было сделано раньше в живом человеческом мозгу», — сказал доктор Далтон.
Неожиданные результаты
Команда была рада, что их результаты в значительной степени совпали с данными предыдущих зарубежных исследований за последние несколько десятилетий, которые основывались на посмертных исследованиях мозга приматов. Однако команда Сиднейского университета обнаружила, что количество связей между гиппокампом и некоторыми областями мозга было либо намного ниже (в случае лобных областей коры), либо выше (в случае областей обработки зрительной информации), чем ожидалось.
Это может указывать на то, что, хотя некоторые пути были законсервированы в ходе эволюции человека, человеческий мозг также мог выработать уникальные модели связей, отличные от других приматов. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы разобрать это более подробно.
Масса трактов белого вещества головного мозга человека. Кредит: USC
Новые результаты показывают, как центр памяти мозга отфильтровывает несущественные детали | Колумбия
НЬЮ-ЙОРК. Представьте, что вы пытаетесь найти ресторан без карты или GPS. Вы были там раньше, несколько раз. Таким образом, вы можете вызвать в воображении некоторые надежные ориентиры, связанные с этим местом: парк, который вы всегда проезжаете, заправочная станция по дороге, может быть, даже грузовик с мороженым, который обычно стоит поблизости. Скорее всего, вы не будете использовать (и даже не помнить) случайные детали, например, как выглядели облака над головой или кто оказался на улице в последний раз, когда вы там были.
Теперь ученые из Колумбийского института Цукермана, изучающие мышей, открыли новые секреты того, как мозг запоминает полезные детали и отбрасывает второстепенные. Исследователи, которые изучают это, как правило, сосредотачиваются на том, как мы фильтруем сенсорные детали, которые собираем из мира.
Но новая работа, появившаяся 8 декабря в Nature , раскрывает процесс отбора, который включается позже, когда наши воспоминания объединяются, благодаря клеткам в центре памяти мозга.
«Наши исследования показывают, что эти клетки играют ключевую роль в способности мозга быть гибким и понимать, что важно — а что нет — в новой ситуации», — сказал научный сотрудник Сатоши Терада, доктор философии, который руководил работой в Лосончи. лаборатория
Лучшее фундаментальное понимание того, как мозг записывает эти воспоминания, может помочь пролить свет на расстройства, связанные с памятью или влияющие на нее, такие как посттравматическое стрессовое расстройство, эпилепсия, шизофрения и болезнь Альцгеймера.
Создание ассоциаций
Запах свежеиспеченного пирожного может напомнить вам о бабушкином доме. Это отражает то, как мозг формирует ассоциативные воспоминания, которые связывают вместе наборы деталей. Ассоциативная память жизненно важна для того, чтобы вести нас к наградам или избегать опасностей.
«Ассоциативная память имеет основополагающее значение для нашей повседневной жизни», — сказал Аттила Лосончи, доктор медицинских наук, главный исследователь Колумбийского института Цукермана. «Мы запоминаем такие события, как прием пищи в ресторане, связывая места с предметами, людьми и другими деталями».
Такие расстройства, как эпилепсия, шизофрения и болезнь Альцгеймера, могут нарушать ассоциативную память. Это также может пойти наперекосяк при посттравматическом стрессовом расстройстве, когда люди связывают безобидные ситуации, такие как фейерверки, со страшными воспоминаниями, такими как поля сражений.
Многое остается неизвестным о том, как ассоциативное обучение определяет, какие связи достаточно полезны для запоминания, а какие нет.
«Если бы я хотел запомнить местонахождение ресторана, мне не следует искать, скажем, желтое такси, которое я уже видел по дороге туда, потому что в следующий раз его может не быть», — сказал доктор Лосонци, который также профессор неврологии Колумбийского колледжа врачей и хирургов Вагелос.
«Мой мозг должен выбирать и запоминать достоверные детали».
Надежно или нет?
В новом исследовании ученые исследовали мышей, сосредоточив внимание на гиппокампе, области мозга в форме морского конька, отвечающей за память.
«В частности, мы проанализировали область CA3 гиппокампа, которая играет ключевую роль в кодировании ассоциативных воспоминаний», — сказал доктор Терада.
В ходе экспериментов мыши ходили по беговым дорожкам, на которые исследователи могли посылать вспышки синего света и ароматы цитрусовых, бананов или мяты. Ремни беговой дорожки представляли собой либо безликие полоски ткани, либо полоски мешковины, украшенные кусочками войлока или бархата, которые могли давать тактильные сенсорные сигналы мышам.
В некоторых экспериментах мыши неоднократно получали вознаграждение в виде глотка воды через предсказуемый промежуток времени после подачи света, запаха или тактильного сигнала на определенные места на беговых дорожках.
Таким образом, сигналы служили достоверной информацией, сигнализирующей о приближении воды. В других экспериментах вознаграждение давали через случайное время после этих сенсорных сигналов, что делало сигналы ненадежными.
Одна из проблем с активностью визуализации в CA3 заключается в том, что она скрыта глубоко в мозгу и ее довольно трудно исследовать обычными методами. Доктор Терада разработал метод анализа активности клеток головного мозга СА3 у мышей, сосредоточив внимание на длинных нитевидных частях этих клеток, известных как аксоны, которые проходят в СА1, ближайшую к поверхности мозга часть гиппокампа и передают информацию в нее.
Покадровая видеозапись активности аксонов пирамидных нейронов СА3.
(Кредит: Сатоши Терада / Лосончзи Лаборатория / Институт Цукермана Колумбии)
CA3 Клетки
Исследователи обнаружили, что аксоны CA3 были активны во время обоих экспериментов, отвечая как на надежные, так и неребежимые сенсорные SEU.
Однако клетки вели себя по-разному, когда мыши отдыхали после экспериментов, когда CA3 воспроизводил воспоминания, чтобы выяснить, какие из них должны храниться в долговременной памяти. Аксоны СА3 оставались активными у мышей, которые видели надежные сигналы. Напротив, аксоны СА3, связанные с ненадежными случайными сигналами, подавлялись во время этого процесса воспроизведения памяти.
«Существующая модель того, как мозг выбирает полезную информацию для запоминания, сосредоточена на том, на что мы выборочно обращаем внимание в тот момент, когда воспринимаем мир», — сказал доктор Лосонци. «Наши результаты также показывают, что гиппокамп имеет механизм фильтрации, который исключает незначительные детали, поскольку наш опыт позже переносится в долгосрочное хранилище».
Почему центр памяти мозга реагирует на эти сенсорные сигналы, даже если они кажутся несущественными? Хотя такие детали могут не показаться полезными сразу, они могут оказаться полезными позже.
«Гиппокамп не просто адаптируется и отключается от явно нерелевантных раздражителей», — сказал доктор Лозончи.
«То, что кажется неважным сейчас, может стать актуальным позже. Таким образом, гиппокамп обладает способностью быстро связывать кажущиеся бесполезными сенсорные стимулы с полезными. Гиппокамп — это адаптивная, быстро обучающаяся машина».
В будущем ученые планируют определить, какие конкретные группы клеток мозг мышей использует для фильтрации явно полезной и бесполезной информации для долговременной памяти. Такое исследование могло бы в конечном итоге помочь выявить способы, которыми человеческие расстройства влияют на память.
«В дальнейшем мы могли бы идентифицировать мозговые цепи и молекулярные механизмы, лежащие в основе ассоциативной памяти, которые могли бы оказаться мишенями для терапии», — сказал доктор Лосончи.
###
hippocampus», появился 8 декабря в журнале Nature . Работа выполнена при поддержке грантов Национального института здравоохранения T32GM007367, грантов Национального института психического здоровья 1R01Mh224047, 1R01Mh224867, F30Mh225628 и F32Mh218716, грантов Национального института неврологических расстройств и инсульта 1U19.