- 26,366
- 46
- 8 Ноя 2022
Ваш главный орган может запомнить что угодно с первого раза — просто не хочет.
Мозг может запоминать важные события намного быстрее, чем долго предполагали нейробиологи. Исследователи описали механизм , который помогает нервной системе перестраивать связи за несколько секунд и сохранять опыт почти с первой попытки. Новый тип нейропластичности получил название «синаптическая пластичность поведенческого масштаба времени», или BTSP.
Любой опыт меняет мозг. Разговор, новый маршрут, испуг, боль от горячей поверхности или первая попытка выполнить непривычное действие запускают цепочку процессов: клетки выделяют химические вещества, по нейронам проходят электрические импульсы, связи между ними усиливаются или ослабевают, а внутренние модели мира обновляются. Благодаря нейропластичности человек запоминает сюжет книги, осваивает иностранный язык, учится ходить по незнакомому городу и быстрее распознаёт опасность.
Представление о пластичном мозге закрепилось в науке сравнительно поздно. Долгое время взрослый мозг считали почти неизменной структурой. Один из основателей современной нейронауки Сантьяго Рамон-и-Кахаль в начале XX века писал, что нервные пути во взрослом мозге фиксированы и не меняются. Позже исследования показали обратное: мозг перестраивается всю жизнь, причём на разных уровнях — от молекул между клетками до крупных сетей, которые берут на себя функции повреждённых участков.
Сила нейропластичности особенно заметна в редких клинических случаях. Человек, родившийся без обонятельной луковицы, может чувствовать запахи, если другие области мозга берут на себя недостающую функцию. Пациенты после инсульта или травмы иногда заново учатся говорить и ходить, потому что соседние нейроны перестраивают работу повреждённых сетей. Даже удаление крупной части мозга в раннем возрасте не всегда лишает человека полноценной жизни: оставшееся полушарие способно перераспределить часть задач.
В обычном обучении главную роль часто отводили синаптической пластичности — изменению связей между нейронами. В 1949 году канадский психолог Дональд Хебб предложил модель, которая стала основной для нейронауки на десятилетия. Если два нейрона активируются почти одновременно, связь между ними укрепляется. Чем чаще цепь используется, тем надёжнее работает. Отсюда появилась известная формула: нейроны, которые возбуждаются вместе, соединяются прочнее.
Хеббовская пластичность хорошо объясняет постепенное обучение. Повторения помогают запомнить новый язык, освоить маршрут, натренировать движение или закрепить сложный навык. Но эта модель хуже отвечает на другой вопрос: как мозг учится после одного события. Человеку не нужно десять раз прикасаться к раскалённой плите, чтобы запомнить опасность. Животному достаточно один раз обнаружить хищника или источник боли, чтобы изменить поведение.
BTSP предлагает возможное объяснение такой быстрой памяти. Механизм обнаружили при изучении гиппокампа — области мозга, которая участвует в формировании воспоминаний и помогает ориентироваться в пространстве. В гиппокампе есть клетки места: нейроны, которые активируются, когда животное оказывается в определённой точке окружающей среды. Когда мышь снова приходит туда же, те же клетки включаются и помогают мозгу восстановить контекст.
В центре нового механизма оказались дендриты. Это ветвящиеся отростки нейронов, которые принимают сигналы от других клеток. Раньше дендриты часто воспринимали как входные линии связи, но исследования последних десятилетий показали более сложную картину. Дендриты не просто передают сигнал к телу нейрона. Они могут запускать локальные электрические всплески, обрабатывать входящие данные и влиять на то, какие связи в сети усилятся.
Во время экспериментов с грызунами исследователи записывали активность дендритов у животных, бегавших по круговой дорожке. В какой-то момент учёные заметили, что одиночное длительное возбуждение дендрита может изменить поведение клетки места. Такой всплеск называют плато-потенциалом. Дендрит остаётся в состоянии повышенного электрического напряжения дольше обычного, без стандартной серии коротких импульсов.
После одного плато-потенциала нейрон начинал срабатывать в конкретной точке маршрута. Иными словами, клетка связывала место с активностью после одного события, а не после множества повторений. При искусственном запуске таких плато исследователи наблюдали почти тот же эффект: клетка начинала активироваться в нужной локации после одного дендритного всплеска.
Главная разница между BTSP и классической хеббовской моделью связана со временем. В привычной схеме связь между нейронами усиливается, если клетки активируются почти синхронно, в пределах миллисекунд. Плато-потенциалы работают на более длинной шкале. Они могут усиливать синапсы, которые были активны за шесть-восемь секунд до события или вскоре после него. Такой интервал лучше совпадает с реальным поведением, потому что движение, выбор, ошибка или столкновение с опасностью редко укладываются в доли секунды.
Этот механизм помогает объяснить обучение на уровне поведения. Чтобы понять, где в комнате находится дверь, где лежит еда или где раньше случилась неприятность, мозгу нужно связать несколько секунд опыта в одну запись. BTSP даёт нейронам временное окно, в котором разрозненные сигналы можно объединить и закрепить как важное воспоминание.
Молекулярная часть процесса пока изучена не до конца. Одна из рабочих гипотез связана с так называемыми следами готовности. Активные синапсы получают временные биохимические метки, которые сохраняются несколько секунд. Эти метки показывают, какие соединения недавно участвовали в обработке опыта. Если в этот промежуток возникает дендритный плато-потенциал, он усиливает именно отмеченные связи, а не все активные контакты подряд.
Такой выборочный принцип важен для памяти. В мозге постоянно работают тысячи нейронов, но не каждая активная клетка должна попасть в запись о конкретном событии. BTSP может помогать мозгу решать задачу распределения вклада: какие связи действительно относятся к опыту, а какие просто оказались активны рядом по времени.
Исследования также указывают на участие белка CaMKII. Плато-потенциалы могут запускать биохимический каскад, который накапливается несколько секунд и активирует этот белок. CaMKII влияет на силу синапсов : меняет площадь контакта и количество рецепторов на дендритах. Чем больше рецепторов доступно, тем сильнее клетка реагирует на следующий сигнал.
BTSP не отменяет хеббовскую пластичность. Скорее, мозг использует несколько механизмов для разных задач. Хеббовская модель, вероятно, важна для развития нервной системы, начальной настройки сетей и постепенного обучения через повторения. BTSP лучше подходит для эпизодической памяти взрослого мозга, где нужно быстро связать место, действие и результат.
Ограничения у новой модели тоже есть. Надёжнее всего BTSP пока наблюдали в гиппокампе и в задачах, связанных с ориентацией в пространстве. Некоторые данные указывают на похожие процессы в неокортексе, где работают более сложные когнитивные функции, но подтверждений пока меньше. Кроме того, не все клетки гиппокампа ведут себя одинаково, а молекулярный механизм всё ещё требует проверки.
Споры остаются даже вокруг того, стоит ли считать BTSP отдельным типом обучения или расширением хеббовской идеи. Дональд Хебб не задавал жёсткой миллисекундной шкалы в своей исходной формулировке. Позже нейронаука уточнила модель через короткие интервалы между импульсами. Поэтому часть исследователей видит в BTSP не опровержение старой теории, а более широкую версию того же принципа.
Для науки о мозге новая модель важна не названием, а объяснительной силой. BTSP показывает, как единичный опыт может оставить след в нейронной сети, если мозг успевает связать активные синапсы в пределах нескольких секунд. Именно такие механизмы могут лежать в основе памяти о событиях, которые человек или животное не повторяет много раз, но запоминает надолго.
Мозг может запоминать важные события намного быстрее, чем долго предполагали нейробиологи. Исследователи описали механизм , который помогает нервной системе перестраивать связи за несколько секунд и сохранять опыт почти с первой попытки. Новый тип нейропластичности получил название «синаптическая пластичность поведенческого масштаба времени», или BTSP.
Любой опыт меняет мозг. Разговор, новый маршрут, испуг, боль от горячей поверхности или первая попытка выполнить непривычное действие запускают цепочку процессов: клетки выделяют химические вещества, по нейронам проходят электрические импульсы, связи между ними усиливаются или ослабевают, а внутренние модели мира обновляются. Благодаря нейропластичности человек запоминает сюжет книги, осваивает иностранный язык, учится ходить по незнакомому городу и быстрее распознаёт опасность.
Представление о пластичном мозге закрепилось в науке сравнительно поздно. Долгое время взрослый мозг считали почти неизменной структурой. Один из основателей современной нейронауки Сантьяго Рамон-и-Кахаль в начале XX века писал, что нервные пути во взрослом мозге фиксированы и не меняются. Позже исследования показали обратное: мозг перестраивается всю жизнь, причём на разных уровнях — от молекул между клетками до крупных сетей, которые берут на себя функции повреждённых участков.
Сила нейропластичности особенно заметна в редких клинических случаях. Человек, родившийся без обонятельной луковицы, может чувствовать запахи, если другие области мозга берут на себя недостающую функцию. Пациенты после инсульта или травмы иногда заново учатся говорить и ходить, потому что соседние нейроны перестраивают работу повреждённых сетей. Даже удаление крупной части мозга в раннем возрасте не всегда лишает человека полноценной жизни: оставшееся полушарие способно перераспределить часть задач.
В обычном обучении главную роль часто отводили синаптической пластичности — изменению связей между нейронами. В 1949 году канадский психолог Дональд Хебб предложил модель, которая стала основной для нейронауки на десятилетия. Если два нейрона активируются почти одновременно, связь между ними укрепляется. Чем чаще цепь используется, тем надёжнее работает. Отсюда появилась известная формула: нейроны, которые возбуждаются вместе, соединяются прочнее.
Хеббовская пластичность хорошо объясняет постепенное обучение. Повторения помогают запомнить новый язык, освоить маршрут, натренировать движение или закрепить сложный навык. Но эта модель хуже отвечает на другой вопрос: как мозг учится после одного события. Человеку не нужно десять раз прикасаться к раскалённой плите, чтобы запомнить опасность. Животному достаточно один раз обнаружить хищника или источник боли, чтобы изменить поведение.
BTSP предлагает возможное объяснение такой быстрой памяти. Механизм обнаружили при изучении гиппокампа — области мозга, которая участвует в формировании воспоминаний и помогает ориентироваться в пространстве. В гиппокампе есть клетки места: нейроны, которые активируются, когда животное оказывается в определённой точке окружающей среды. Когда мышь снова приходит туда же, те же клетки включаются и помогают мозгу восстановить контекст.
В центре нового механизма оказались дендриты. Это ветвящиеся отростки нейронов, которые принимают сигналы от других клеток. Раньше дендриты часто воспринимали как входные линии связи, но исследования последних десятилетий показали более сложную картину. Дендриты не просто передают сигнал к телу нейрона. Они могут запускать локальные электрические всплески, обрабатывать входящие данные и влиять на то, какие связи в сети усилятся.
Во время экспериментов с грызунами исследователи записывали активность дендритов у животных, бегавших по круговой дорожке. В какой-то момент учёные заметили, что одиночное длительное возбуждение дендрита может изменить поведение клетки места. Такой всплеск называют плато-потенциалом. Дендрит остаётся в состоянии повышенного электрического напряжения дольше обычного, без стандартной серии коротких импульсов.
После одного плато-потенциала нейрон начинал срабатывать в конкретной точке маршрута. Иными словами, клетка связывала место с активностью после одного события, а не после множества повторений. При искусственном запуске таких плато исследователи наблюдали почти тот же эффект: клетка начинала активироваться в нужной локации после одного дендритного всплеска.
Главная разница между BTSP и классической хеббовской моделью связана со временем. В привычной схеме связь между нейронами усиливается, если клетки активируются почти синхронно, в пределах миллисекунд. Плато-потенциалы работают на более длинной шкале. Они могут усиливать синапсы, которые были активны за шесть-восемь секунд до события или вскоре после него. Такой интервал лучше совпадает с реальным поведением, потому что движение, выбор, ошибка или столкновение с опасностью редко укладываются в доли секунды.
Этот механизм помогает объяснить обучение на уровне поведения. Чтобы понять, где в комнате находится дверь, где лежит еда или где раньше случилась неприятность, мозгу нужно связать несколько секунд опыта в одну запись. BTSP даёт нейронам временное окно, в котором разрозненные сигналы можно объединить и закрепить как важное воспоминание.
Молекулярная часть процесса пока изучена не до конца. Одна из рабочих гипотез связана с так называемыми следами готовности. Активные синапсы получают временные биохимические метки, которые сохраняются несколько секунд. Эти метки показывают, какие соединения недавно участвовали в обработке опыта. Если в этот промежуток возникает дендритный плато-потенциал, он усиливает именно отмеченные связи, а не все активные контакты подряд.
Такой выборочный принцип важен для памяти. В мозге постоянно работают тысячи нейронов, но не каждая активная клетка должна попасть в запись о конкретном событии. BTSP может помогать мозгу решать задачу распределения вклада: какие связи действительно относятся к опыту, а какие просто оказались активны рядом по времени.
Исследования также указывают на участие белка CaMKII. Плато-потенциалы могут запускать биохимический каскад, который накапливается несколько секунд и активирует этот белок. CaMKII влияет на силу синапсов : меняет площадь контакта и количество рецепторов на дендритах. Чем больше рецепторов доступно, тем сильнее клетка реагирует на следующий сигнал.
BTSP не отменяет хеббовскую пластичность. Скорее, мозг использует несколько механизмов для разных задач. Хеббовская модель, вероятно, важна для развития нервной системы, начальной настройки сетей и постепенного обучения через повторения. BTSP лучше подходит для эпизодической памяти взрослого мозга, где нужно быстро связать место, действие и результат.
Ограничения у новой модели тоже есть. Надёжнее всего BTSP пока наблюдали в гиппокампе и в задачах, связанных с ориентацией в пространстве. Некоторые данные указывают на похожие процессы в неокортексе, где работают более сложные когнитивные функции, но подтверждений пока меньше. Кроме того, не все клетки гиппокампа ведут себя одинаково, а молекулярный механизм всё ещё требует проверки.
Споры остаются даже вокруг того, стоит ли считать BTSP отдельным типом обучения или расширением хеббовской идеи. Дональд Хебб не задавал жёсткой миллисекундной шкалы в своей исходной формулировке. Позже нейронаука уточнила модель через короткие интервалы между импульсами. Поэтому часть исследователей видит в BTSP не опровержение старой теории, а более широкую версию того же принципа.
Для науки о мозге новая модель важна не названием, а объяснительной силой. BTSP показывает, как единичный опыт может оставить след в нейронной сети, если мозг успевает связать активные синапсы в пределах нескольких секунд. Именно такие механизмы могут лежать в основе памяти о событиях, которые человек или животное не повторяет много раз, но запоминает надолго.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
