Некоторые сны могут предсказывать будущее: Новое исследование показало, что во время сна некоторые нейроны не только воспроизводят недавнее прошлое, но и предвосхищают будущий опыт.

Это открытие — одно из целого ряда открытий, сделанных в ходе исследования сна и обучения, опубликованного в журнале Nature группой ученых из Университета Райса и Мичиганского университета.

Исследование предлагает беспрецедентный взгляд на то, как отдельные нейроны в гиппокампе крыс стабилизируют и настраивают пространственные представления в периоды покоя после того, как животные впервые проходят лабиринт.

«Определенные нейроны срабатывают в ответ на конкретные стимулы», - говорит Камран Диба, доцент кафедры анестезиологии в Мичигане и автор соответствующего исследования. «Нейроны в зрительной коре срабатывают, когда им предъявляется соответствующий визуальный стимул. Нейроны, которые мы изучаем, демонстрируют предпочтение места».

Вместе с сотрудниками мичиганской лаборатории нейронных цепей и памяти, возглавляемой Дибой, нейробиолог из Райса Калеб Кемере изучал процесс, в ходе которого эти специализированные нейроны формируют представление о мире после получения нового опыта. В частности, исследователи отслеживали резкие волновые пульсации - паттерн активации нейронов, который, как известно, играет роль в консолидации новых воспоминаний, а недавно было показано, что он также определяет, какие части нового опыта должны быть сохранены в памяти.

«В этой работе мы впервые наблюдали, как отдельные нейроны стабилизируют пространственные представления во время периодов покоя», - говорит Кемере, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и биоинженерии в Райсе.

Сон крайне важен для памяти и обучения — наука количественно подтвердила эту вековую интуицию, измерив результаты тестов на память после сна, а не после периода бодрствования или даже лишения сна.

Пару десятилетий назад ученые также обнаружили, что нейроны в мозге спящих животных, которым позволили исследовать новую обстановку непосредственно перед отдыхом, работают таким образом, что воспроизводят траекторию движения животных во время исследования. Этот вывод согласуется со знанием того, что сон помогает новому опыту кристаллизоваться в устойчивые воспоминания, что позволяет предположить, что пространственные представления многих специализированных нейронов в гиппокампе стабильны во время сна. Однако исследователи хотели выяснить, есть ли в этой истории что-то еще.

«Мы предположили, что некоторые нейроны могут менять свои представления, отражая опыт, с которым мы все сталкивались, просыпаясь с новым пониманием проблемы», - говорит Кемере. «Однако для того, чтобы показать это, необходимо было проследить, как отдельные нейроны достигают пространственной настройки, то есть процесса, с помощью которого мозг учится ориентироваться в новом маршруте или окружении».

Исследователи научили крыс бегать взад-вперед по приподнятой дорожке с жидким вознаграждением на каждом конце и наблюдали, как отдельные нейроны в гиппокампе животных «шипели» в процессе. Вычислив среднюю частоту всплесков на протяжении многих кругов туда и обратно, исследователи смогли оценить «поле места» нейронов - область в окружающей среде, о которой данный нейрон «заботится» больше всего.

«Критическим моментом здесь является то, что поля мест оцениваются по поведению животного», - говорит Кемере, подчеркивая сложность оценки того, что происходит с полями мест в периоды отдыха, когда животное физически не перемещается по лабиринту.

«Я давно думал о том, как мы можем оценить предпочтения нейронов вне лабиринта, например, во время сна», - сказал Диба. «Мы решили эту задачу, связав активность каждого отдельного нейрона с активностью всех остальных нейронов».

В этом и заключалось главное новшество исследования: Исследователи разработали статистический подход к машинному обучению, который использовал данные других нейронов для определения места, в котором животное мечтает оказаться. Затем они использовали эти сновиденные позиции для оценки процесса пространственной настройки каждого нейрона в наборе данных.

«Способность отслеживать предпочтения нейронов даже без стимула стала для нас важным прорывом», - говорит Диба.

Метод подтвердил, что пространственные представления, которые формируются во время знакомства с новой средой, для большинства нейронов остаются стабильными в течение нескольких часов после сна. Но, как и предполагали исследователи, это еще не все.

«Больше всего в этом исследовании мне понравилось то, что я был так взволнован его результатами: оказалось, что не обязательно, что во время сна эти нейроны только и делают, что стабилизируют память о пережитом», - говорит Кемере. Оказалось, что некоторые нейроны делают что-то еще».

«Мы видим, что во время сна происходят и другие изменения, и когда мы возвращаем животных в окружающую среду во второй раз, мы можем подтвердить, что эти изменения действительно отражают что-то, что было усвоено, пока животные спали. Как будто второе знакомство с пространством происходит во время сна животного».

Это важно, поскольку представляет собой прямое наблюдение за нейропластичностью, происходящей во время сна. Кемере подчеркнул, что почти все исследования пластичности, изучающие механизмы, позволяющие нейронам перестраиваться и формировать новые представления, рассматривают то, что происходит в период бодрствования, когда предъявляются стимулы, а не во время сна, когда соответствующие стимулы отсутствуют.

«Похоже, что пластичность или перестройка мозга требует очень быстрых временных рамок», - говорит Диба, указывая на захватывающую взаимосвязь между продолжительностью фактического опыта, «который может занимать секунды, минуты, но также часы или дни», и фактическими воспоминаниями, «которые очень сжаты».

«Если вы что-то помните, то воспоминание — это мгновение», - сказал Диба, ссылаясь на известный литературный отрывок французского писателя-модерниста Марселя Пруста, в котором детское воспоминание разворачивает целый потерянный мир прошлого опыта едва ли за мгновение.

Данное исследование является примером прогресса в нейронауке, достигнутого за последние несколько десятилетий благодаря технологическому прогрессу в разработке стабильных нейронных зондов высокого разрешения, а также вычислительной мощности, основанной на машинном обучении.

В свете этих достижений Кемере заявил, что наука о мозге может добиться значительного прогресса в будущем.