Загадка робочої пам'яті: зміна поглядів, частина 2
Nov 17, 2023
Розкриття прихованих нейронних мереж у робочій пам’яті
Набагато складніше досліджувати гіпотезу про те, що динамічно пов’язані, електрично безшумні нейронні мережі лежать в основі робочої пам’яті, оскільки фізіологічні методи, такі як ЕЕГ, фМРТ та електрофізіологія, контролюють активність нейронів. Спираючись на дослідження TMS, проведені Роузом та іншими (2016), Вольф та інші (2017) розробили унікальний підхід для тестування на наявність електрично безшумної нейронної мережі, яка підтримує безконтрольну робочу пам’ять (рис. 1A).
Останніми роками все більше досліджень показують, що між динамічним зв’язком і пам’яттю існує тісний зв’язок. Динамічний зв’язок стосується координації та синхронізації між різними ділянками людського мозку, а пам’ять – це здатність людського мозку зберігати, обробляти та відтворювати інформацію.
Дослідження виявили, що динамічний зв’язок може сприяти передачі інформації та інтеграції між нейронами в людському мозку, покращуючи когнітивні та виконавчі функції людини. У той же час хороший динамічний зв’язок також сприяє розвитку здібностей людей до навчання та пам’яті. Наприклад, коли людина засвоює нові знання, поступово посилюється координація та синхронізація між різними сферами, що сприятиме зберіганню та обробці нових знань, а також сприятиме закріпленню та вдосконаленню пам’яті.
Окрім цього, дослідження виявили, що різні типи пам’яті пов’язані з різними динамічними зв’язками. Наприклад, короткочасна пам'ять тісно пов'язана зі ступенем динамічного зв'язку між певними ділянками мозку; Довготривала пам'ять включає ширший спектр областей у мозку та динамічний зв'язок між ними. Таким чином, підтримання хорошого динамічного зв’язку допоможе покращити різні типи пам’яті людей.
У сукупності між динамічним зв’язком і пам’яттю існує позитивний зв’язок. Посилюючи динамічний зв’язок, люди можуть покращити когнітивні та виконавчі функції та сприяти навчанню та пам’яті. Тому ми повинні активно досліджувати та підтримувати хороший динамічний зв’язок, щоб покращити нашу пам’ять і здібності до навчання та покращити якість життя. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche deserticola може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом, який має багато унікальних ефектів, одним із яких є покращення пам’яті. Ефективність м’ясного фаршу пов’язана з різними активними інгредієнтами, які він містить, включаючи кислоти, полісахариди, флавоноїди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними способами.
Клацніть «Знай, як покращити короткочасну пам’ять».
Дослідники вважали, що якщо електрично тиха нейронна мережа сформувалася та зберігалася протягом тривалості робочої пам’яті, то відповідь мережі на системному рівні мала б відрізнятися від відповіді, якби ця безшумна мережа не була сформована.
Замість того, щоб застосувати імпульс TMS, дослідники надали непов’язаний візуальний стимул (круги у формі мішені), щоб відновити роботу нейронних мереж, пов’язаних із завданням зорової робочої пам’яті. Якби синаптична пластичність спричинила динамічні зміни зв’язності в задачі робочої пам’яті, тоді зондування цих мереж за допомогою іншого стимулу мало б дати іншу нейронну реакцію, ніж якби мережа не була змінена.
Автори називають це «пінгом» нейронних мереж, щоб оцінити їхню реакцію. Більше того, неспецифічний візуальний стимул може, теоретично, реактивувати активність у синаптично з’єднаних мовчазних нейронних мережах, які кодують пам’ять, подібно до ТМС. Це виглядатиме як реактивація ЕЕГ-відповідей, які викликаються, коли об’єкт викликають із пам’яті.
Готуючись до досліджень із використанням непов’язаного зображення у формі мішені для «пінгу» нейронних мереж, учасники переглянули екран, на якому відображалися два об’єкти, розташовані поруч один з одним, і їм було дано вказівку запам’ятати обидва елементи. Після невеликої затримки стрілка вказувала вліво або вправо підказувати спостерігачеві, який об'єкт слід запам'ятати для наступного тесту.
Тоді цей об’єкт буде збережено в робочій пам’яті без нагляду, тоді як інший об’єкт буде забутий або збережений у неконтрольованій (несвідомій) пам’яті. Об’єктами, які слід пам’ятати, були два заповнені смугами кола, які оберталися таким чином, щоб смуги на кожному мали різну орієнтацію. Після затримки було відображено смугасте коло, і учасники повинні були вказати, чи цей об’єкт «зонд» було повернуто за або проти годинникової стрілки від смугастого кола, яке вони зберігали в робочій пам’яті.
Результати показали, що підвищена активність в алфавітному діапазоні у відповідних місцях запису електродів для об’єктів у зоровій робочій пам’яті відповідала тому, наскільки об’єкт зонда відрізнявся за обертанням від об’єкта в пам’яті. Якби орієнтація об'єкта в робочій пам'яті була забута, ця дискримінаційна ЕЕГ-відповідь не з'явилася б, і точність повідомлених відповідей суб'єктів була б випадковою.
По-друге, реакція ЕЕГ, яка вказує на ступінь обертання зображення зонда відносно зображення в пам’яті, з часом зменшуватиметься, оскільки робоча пам’ять зберігається лише на кілька секунд. Результати показали, що ця ЕЕГ-активність зросла після вказівки стрілки та зберігалася, доки зображення не було представлено для перевірки запам’ятовування, але активність повільно поверталася до вихідного рівня з часом для об’єкта в пам’яті без нагляду (рис. 1B). Це підтверджує гіпотезу про те, що існують різні механізми підтримки автономної та активної робочої пам’яті, з постійною нейронною активністю, пов’язаною з присутніми, але не безконтрольними спогадами.
Потім дослідники використали третій непов’язаний візуальний стимул, щоб перевірити систему на зміни у функції нейронної мережі, спричинені синаптичною пластичністю, яка теоретично записує робочу пам’ять. Непов’язаний стимул посилив нервову активність для об’єкта в активній пам’яті, але не для об’єкта, який зберігається в безконтрольній пам’яті (рис. 1C). Автори дійшли висновку, що на відміну від активної робочої пам’яті, неконтрольована робоча пам’ять зберігається за допомогою синаптичної пластичності, утворюючи динамічно пов’язані, але електрично тихі нейронні мережі, без потреби в постійному збільшенні нейронної активності.
Повторна перевірка даних
У недавньому дослідженні Вольфф та інші (2017) переглянули вихідні дані та виявили, що нейронна реакція на об’єкт у пам’яті без нагляду зберігалася протягом усього періоду до пригадування, коли дані аналізувалися по-різному. Замість моніторингу напруги ЕЕГ, Barbosa та інші (2021) проаналізували потужність активності альфа-діапазону ЕЕГ. Підвищена потужність ЕЕГ-активності, яка вказувала як на об’єкти в активній, так і в неконтрольованій робочій пам’яті, зберігалася протягом періоду до пригадування (рис. 1D).
Відповіді з точки зору альфа-потужності були підсилені непов’язаним візуальним стимулом, який «пінгує» систему, але той факт, що активна реакція була очевидною як для активних, так і для неконтрольованих спогадів, робить дещо спірним ефект виклику активної відповіді на візуальний пінг як метод виявлення прихованих стани зберігання пам'яті. Більше того, візуальний пінг може стимулювати активність нейронних мереж, що підтримується активацією потенціалу дії, а також для передбачуваних електрично тихих мереж, тому техніка візуального пінгування не може чітко розрізнити ці два механізми зберігання інформації.
Барбоза та інші (2021) вважають, що вимірювання напруги піддаються більшій дисперсії через дрейф базової лінії та зміну імпедансу електродів шкіри голови, тоді як частота та потужність коливань є більш стійкими до таких технічних труднощів. Таким чином, Вольф та інші (2017) не виявили постійного збільшення нейронної активності, пов’язаної з пам’яттю без нагляду, через обмеження співвідношення сигнал/шум. Крім того, їхній аналіз показав, що потужність статистичного аналізу вихідних даних була слабкою і що більший розмір вибірки, ймовірно, виявив би підвищену стійку активність протягом періоду затримки для об’єктів у пам’яті без нагляду.
Ретельніший аналіз також показав значні варіації відповідей між суб’єктами, і що в багатьох випадках стійке підвищення напруги ЕЕГ було очевидним, що супроводжувало неконтрольовану пам’ять, але в інших суб’єктів тестування це не було очевидним. Збільшена дисперсія підірвала б спроби виявити постійне підвищення електричної активності, що підтримує безконтрольну пам’ять.
Висновки
Повторний аналіз вихідних даних скасовує висновки впливового дослідження Вольфа та інших (2017), яке не змогло знайти ознаки робочої пам’яті в термінах підвищеної стійкої активності ЕЕГ, але це не скасовує експерименти та не надає доказів того, що синаптична пластичність робить не утворюють динамічних ансамблів нейронних мереж, що лежать в основі робочої пам’яті. Повторний аналіз чітко демонструє трюїзм, що «відсутність доказів не є доказом відсутності». Початкові експерименти та дані дійсні, але висновки змінюються, якщо їх аналізувати по-різному.
Важливо, що ці дві статті демонструють силу співпраці в наукових дослідженнях, оскільки Вольф і його колеги надали свої необроблені дані Барбозі та його колегам для повторного аналізу, і вони висловлюють вдячність за корисні дискусії. Обидві групи визнають, що набагато важче отримати експериментальні докази на підтримку механізму синаптичної пластичності робочої пам’яті, оскільки вона за визначенням електрично безшумна.
Це особливо актуально, якщо такі безшумні механізми працюють у парі з активними механізмами, які перешкоджають їхньому виявленню. Отже, аксіома щодо «відсутності доказів...» ще більше стосується відхилення гіпотези про тиху нейронну мережу на основі поточної відсутності доказів.
Дійсно, ці два механізми можуть працювати разом. Дослідження Trübutschek та інших (2017) показують, що учасники можуть згадати інформацію, яку вони не усвідомлюють, навіть якщо за допомогою ЕЕГ не спостерігається активної нейронної відповіді, яка зберігається протягом періоду затримки перед тестуванням. Вони припускають, що після фази транзиторного кодування через активне загоряння нейронів несвідомі стимули можуть підтримуватися активними короткочасними змінами синаптичних ваг без будь-якої нейронної активності, яка може бути виявлена, що дозволяє відновити протягом кількох секунд.
Як виявити існування можливого електрично-мовчазного нейронного процесу залишається загадкою, але пошук способів дослідження можливих змін у синаптичному зв’язку, які можуть впливати на оперативну пам’ять, залишатиметься енергійною працею, яка, безсумнівно, призведе до нової співпраці та нових досягнень.
Декларація про конфлікт інтересів
Автор заявив про відсутність потенційного конфлікту інтересів щодо дослідження, авторства та/або публікації цієї статті.
Фінансування
Автори повідомили про отримання такої фінансової підтримки для дослідження, авторства та/або публікації цієї статті: Ця робота була підтримана внутрішнім грантом NIH № ZIAHD000713.
Список літератури
1. Барак О., Цодикс М., Ромо Р. 2010. Кодування нейронної популяції параметричної робочої пам’яті. J Neurosci 30:9424–30.
2. Барбоза Дж., Лозано-Солдевілья Д., Компте, А. 2021. Передача мозку зоровими імпульсами виявляє електрично активні, а не мовчазні робочі спогади. PLoS Biol 19(10):e3001436.
3. Butters N, Pandya D. 1969. Збереження ефекту відстроченого чергування вибіркових уражень sulcus principalis. Наука 165: 1271–3.
4.Кортні С.М., Унгерлейдер Л.Г., Кейл К., Хаксбі Дж.В. 1997. Перехідна та стійка активність у розподіленій нейронній системі для робочої пам'яті. Природа 386:608–11.
5. Foster JJ, Sutterer DW, Serences JT, Vogel EK, Awh E. 2016. Топографія активності альфа-діапазону відстежує вміст просторової робочої пам’яті. J Neurophysiol 115(1):168–77.
6.Фустер Дж.М., Олександр Г.Є. 1971. Активність нейронів, пов'язана з короткочасною пам'яттю. Наука 173:652–4.
7. Гольдман-Ракіч П.С. 1995. Клітинна основа для робочої пам'яті. Neuron 14:447–85.
8. Льюїс-Пікок JA, Drysdale AT, Oberauer K, Postle BR. 2012. Нейронні докази різниці між короткочасною пам’яттю та фокусом уваги. J Cogn Neurosci 24:61–79.
9. Липа ДЕЖ. 2007. Мережі робочої пам'яті людського мозку. Neuroscientist 13(3):257–67.
10. Монгілло Г, Барак О, Цодикс М. 2008. Синаптична теорія робочої пам'яті. Наука 319:1543–6.
For more information:1950477648nn@gmail.com
