Як запамʼятати нове і не забути старе? Допоможуть миші

Що таке пам'ять і який її обсяг? Коли ми щось забуваємо - чи відбувається це тому, що новий спогад "перезаписується" на місце вже наявного? Принаймні, саме у це вірив Гомер Сімпсон з американського мультсеріалу "Сімпсони".

"Щоразу, коли я дізнаюся щось нове, це виштовхує з мого мозку щось старе, - казав він своїй дружині Мардж. - Пам'ятаєш, як я пройшов той курс домашнього виноробства і забув, як водити авто?"

Але інстинкти Гомера не настільки далекі від реальності, як може здаватися. Існує явище, відоме як "катастрофічне забування", під час якого процес консолідації нової інформації дійсно втручається в наявну пам'ять або "стирає" її.

Щось подібне можна спостерігати в цифрових нейронних мережах, які живлять штучний інтелект (ШІ) - вони створені за зразком людського мозку, але часто намагаються включити нові набори даних у наявне навчання.

Зазвичай наш мозок вміє це робити краще, але ми не розуміємо чому.

Дослідники з Корнельського університету в США вважають, що вони зробили прорив у розумінні того, як наш мозок генерує спогади, і кажуть, що їхні висновки зрештою можна буде використати не лише для покращення ШІ, але й для боротьби з дегенеративними захворюваннями мозку, такими як хвороба Альцгеймера.

І усе це завдяки тому, що вони змогли бачити очима сплячих мишей.

Вікно у мозок

Команда дослідників, чию статтю опублікували на початку цього місяця в журналі Nature, виявила, що миші, здається, обробляють нові та вже наявні спогади на різних етапах циклу свого сну, завдяки чому ці спогади не перешкоджають один одному.

"Вперше ми дізналися конкретну інформацію щодо того, який тип спогадів консолідує мозок, коли дивились в око", - розповіла ВВС провідна авторка дослідження докторка Азахара Оліва.

Миші є ідеальними суб'єктами для такого роду експериментів, оскільки деякий час протягом сну їхні очі частково відкриті, і це створює вченим вікно до їхнього мозку.

Коли миші сплять, їхні зіниці кілька разів звужуються протягом приблизно хвилини, а потім повертаються до початкового більшого розміру.

Вчені виявили, що під час кожної фази сну мозок миші працював над різними завданнями.

Коли зіниці великі, мозок зберігає старі спогади, говорить докторка Оліва, і коли маленькі - обробляє нові спогади

Дослідники вважають, що така двофазна система є "можливим рішенням проблеми того, як мозок може отримувати нові знання, але при цьому зберігати старі знання недоторканними".

Трансгенномодифіковані миші

Це зʼясували завдяки тому, що коричневі миші, яких використовували в експериментах (їх вважаються розумнішими за білих), мали генетично модифіковані нейрони (клітини мозку), які реагують на світло.

"Самі миші є трансгенномодифікованими, тому вони вивільняють штучний білок у клітинах свого мозку", - говорить співавтор дослідження Антоніо Фернандес Руїс.

"Коли ми вставляємо оптичне волокно в мозок, за допомогою дуже невеликої кількості світла ми можемо змусити ці нейрони запускатися - ми можемо за бажанням активувати певні клітини в мозку", - додає інший співавтор Хонг'ю Чанг.

Це дозволяє дослідникам запускати або пригнічувати процес консолідації пам'яті за допомогою спеціального обладнання, розробленого їхньою командою.

Мишам на голову надягали спеціальну гарнітуру з камерою і дзеркалом, щоб вчені могли спостерігати за зіницею і знати, у якій фазі сну перебуває миша. Тоді мозок можна стимулювати тільки в потрібний період - коли зіниця розширена або звужена.

Крихітні електроди, імплантовані в мозок, дозволяють вченим як спостерігати за процесами роботи мозку миші, так і порушувати її здатність формувати спогади.

Завдяки дослідженню сотень окремих нейронів вчені можуть зрозуміти, у якому порядку вони активуються, і якщо це збігається з порядком із попереднього досвіду, це означає, що спляча миша може переглядати попередню подію та формувати або консолідувати спогад про неї.

"Коли я проходжу по кімнаті, окремі нейрони спрацьовують у певному порядку, а потім уночі ті самі клітини знову активуються в тому ж порядку, щоб консолідувати та стабілізувати ці спогади", - пояснює Чанг.

Але випромінювання невеликої кількості світла через оптичне волокно на генетично модифікований нейрон сплячої миші порушує цей процес.

Чи можна стерти спогади

"Ми кладемо тварину на дошку з лабіринтом у вигляді сиру - круглої форми з багатьма отворами, - каже співавтор звіту доктор Венбо Тан. - І в одній з дірок є прихована винагорода - цукор".

Потім миші вивчають шлях до ласощів, а вчені занотовують схему, за якою активуються нейрони.

Прокладаючи другий, інший шлях, вони можуть відрізнити старий наявний спогад від нового, сформованого того дня.

Потім вчені вирішили перевірити, чи зможуть вони стерти вибіркові спогади.

Науковці виявили, що коли вони пригнічували нейрони, що формують спогади, у фазі сну з вузькою зіницею у мишей, які щойно навчилися знаходити ласощі, ці миші не могли знову знайти ласощі, коли прокинулися.

Однак, коли вчені робили теж саме під час фази сну з ширшими зіницями, миші відразу знаходили ласощі. Тобто вони пам'ятали шлях, що вказувало на те, що процес формування пам'яті під час сну не був перерваний.

Вчені мали змогу спостерігати за мозковою активністю і тому знали, що більша частина обробки нещодавнього досвіду мозком відбувалася, коли зіниця була маленькою. Під час попередніх експериментів вони зʼясували, що інша стадія сну з ширшою зіницею виконує іншу функцію - зміцнює наявні спогади.

Це привело команду до висновку, що, принаймні у мишей, мозок розділяє два завдання - обробку нових спогадів і консолідацію наявних, що, швидше за все, запобігає їхньому втручанню одні в одні.

Допомога при хворобі Альцгеймера, травмах і ШІ

Ми знаємо, наскільки сон важливий для процесу формування пам'яті, і це дослідження показує, що те, що відбувається в мозку під час різних фаз сну, є важливим для запобігання проблемам зі створенням і збереженням спогадів.

Дослідники вважають, що - як і в багатьох інших випадках - висновки їхніх досліджень на мишах також будуть актуальними для людей: миші також є ссавцями і мають багато спільних генетичних подібностей і біологічних процесів з людьми.

Якщо ми зможемо допомогти людському мозку уникнути плутанини наявних і нових спогадів, ми зможемо знайти способи лікування різних захворювань.

"Ми вважаємо, що саме це відбувається під час природного старіння і, можливо, під час нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера", - каже доктор Фернандес Руїс.

"Може бути спогад, який ви особливо хочете стерти, наприклад, у людей, які страждають на посттравматичний стресовий розлад", - додає докторка Оліва.

Вона припускає, що в майбутньому ми зможемо проводити втручання під час консолідації цього конкретного травматичного спогаду чи досвіду під час сну.

Це дослідження також може допомогти штучному інтелекту навчитися виконувати багато подібних завдань так, як це робить людський мозок.

"Коли ви просите систему штучного інтелекту зробити щось одне, вона може зробити це дуже добре - навіть перевершуючи людей. Але коли ви просите нашу систему ШІ зробити багато речей, це стає проблемою", - говорить доктор Тан.

"Якщо я навчу нову штучну нейронну мережу розпізнавати зображення – наприклад, кота – це буде неймовірно", – каже Хонг'ю Чанг.

"Але якщо я хочу, щоб вони навчилися чогось нового - наприклад, собаки? Доведеться її перевчити, тому що цей новий набір даних перезапише старий. Вони пам'ятають собаку, але забувають кота. Одне із застосувань цього дослідження полягає в тому, що ШІ міг би швидше вивчати нові речі".

Загалом, каже доктор Тан, "це дослідження про те, як сон може допомогти нам краще зберігати спогади", і це може допомогти покращити здоров'я людини.

Втім, це може не допоможе Гомеру Сімпсону, чия нездатність керувати автомобілем після курсу виноробства зовсім не залежала від фаз сну.

"Це тому, що ти був п'яний", - послужливо каже його дружина Мардж.