Получить данные активности мозга, которые относились бы только к процессам рабочей памяти, очень сложно. В дело всегда вмешиваются другие когнитивные (и не только) функции.
Тем не менее ученые из Лондона смогли это сделать, о чем рассказали в журнале Nature. На мышах они смотрели нейрональную осцилляцию во время решения теста на рабочую памяти и схожего теста, который не вовлекал рабочую память. Сравнив данные, ученые увидели, какие области мозга мыши более важны для рабочей памяти и как по их активности можно предсказать ее эффективность.
Задача на “чистую” рабочую память
В экспериментах на рабочую память, в которых пишется активность мозга, трудно отличить специфическую клеточную активность для рабочей памяти от активности других процессов, которые сопровождают ее: принятия решений, ожидания вознаграждений или моторной подготовки. Ученые решили отделить стороннюю нейрональную активность от той, которая необходима для рабочей памяти.
Чтобы изучить “чистый” сигнал рабочей памяти, ученые создали для подопытных мышей специальную двойную задачу. Часть этой задачи задействовала рабочую память, а другая — нет.
Тест на рабочую память состоял в том, чтобы запомнить один стимул (фигура, состоящая из черно-белых полос определенной ориентации) и через небольшой период времени выбрать из двух представленных фигур ту, что будет зеркальной по отношению к исходной. Ответ на исходную пробу становился стимулом для последующей, таким образом задача не прерывалась. Период удержания информации (после запоминания и до воспроизведения) варьировался от 0.8 до 4 секунд.
В задаче, которая не вовлекала рабочую память (дискриминационная задача), фигура всегда была ориентирована горизонтально, ответ можно было дать любой, не соответствующий исходной фигуре. Таким образом, эта задача требовала только узнать исходную фигуру, не обрабатывая ее (отражая зеркально).
Важное различие между двумя тестами, заключалось в том, что правильные ответы для теста на рабочую память зависели от продолжительности периода удержания. Более длительная задержка (4 секунды) приводила к нарушению обработки и хранения информации, так как мыши нужно было больше времени, чтобы дать ответ.
За правильный ответ мышь поощрялась. Для теста на рабочую память вознаграждение давалось лишь в случае, если мышь выбрала зеркальный исходному стимул, а для дискриминационной задачи мышь получала вознаграждение при любом ответе, кроме проверочной (горизонтальные полосы) и исходной пробы.
Получается, обе задачи содержали в себе одинаковые мозговые процессы: запоминание, принятие решений, моторную активность, ожидание вознаграждения. Но лишь задача на рабочую память задействовала процессы удержания и обработки информации. Вычислив мозговую активность для обеих задач и вычтя одну из другой, ученые получили “чистую” нейрональную активность для рабочей памяти.
Рабочая память вовлекает различные участки коры мозга
Ученые следили за активностью клеток в одной из шести корковых зон: зрительной области (AM), премоторной области (M2), первичной соматосенсорной области (S1) и первичной зрительной области (V1) с противоположной (контралатеральной) стороны мозга предъявляемому стимулу, а также области AM и M2 со стороны стимула (ипсилатеральные).
С помощью оптогенетической стимуляции ученые временно отключали одну из шести областей и смотрели, как это повлияет на поведенческие результаты.
Оказалось, что инактивация любой области в начале периода ожидания (кроме сенсомоторной зоны — S1), увеличивала количество неправильных ответов в задаче на рабочую память, но никак не влияла на дискриминационную задачу. То есть мышь прекрасно узнавала стимул, но инактивация приводила к сбою в обработке информации. Это указывает на то, что удержание информации в рабочей памяти зависит от активности в разных, вышеперечисленных областях неокортекса (кроме сенсомоторной зоны).
Инактивация неокортекса при тестировании (вспоминании) имела другие эффекты. Так, отключение контралатеральной зрительной коры (область AM и V1) привело к увеличению количества пропусков в задаче на рабочую память, увеличению числа неправильных ответов в дискриминационной задаче и их уменьшению в задаче на рабочую память. При инактивации передних и ипсилатеральных областей коры подобный эффект не наблюдался.
Получается, контралатеральные зоны V1 и AM препятствовали зрительным процессам, но не препятствовали обработке информации в момент хранения и воспроизведения. Сама же информация, которая находилась в рабочей памяти, была распределена в электронной активности между другими зонами неокортекса.
Рабочая память — нейронная динамика
Используя двухфотонную кальциевую визуализацию для изучения активности отдельных нейронов в верхней зрительной (AM) и премоторной (M2) областях, противоположных стимулу, ученые решили проверить две наиболее вовлеченные в рабочую память зоны на предмет их специфической активности.
Профили активности отдельных клеток были схожи для обеих задач, а усредненная по клеткам активность в период удержания информации существенно не отличалась.
Ученые преобразовали усредненную клеточную активность (по всем мышам и по всем пробам) в математическое пространство. Получилась математическая модель, состоящая из нескольких кластеров клеток, активность которых отвечала либо тесту на рабочую память, либо другим неспецифическим процессам.
Благодаря этому ученые смогли по активности конкретных групп клеток с высокой точностью идентифицировать задачу, которую выполняла мышь.
Случайно выбирая подпространства клеток из общего математического пространства, ученые обнаружили, что для правильной идентификации задачи требовалось не менее 100 кластеров. Так, по тому, что происходило в мозге, ученые смогли сказать, что делает мышь.
Нейронные популяции в областях AM и M2 избирательно сохраняли репрезентации предшествующих стимулов на уровне активности. То есть распределенные области неокортекса постоянно поддерживали представление информации в виде осцилляций в периода удержания информации.
Роль кортикальных взаимодействий в рабочей памяти
С помощью двухфотонной кальциевой визуализации ученые измерили аксональную активность в областях M2 и AM, одновременно отключая одну из этих областей.
Результаты показали, что удерживать репрезентацию информации в рабочей памяти позволяет взаимная кортико-кортикальная коммуникация между выделенными областями. Восстановление (после инактивации) M2 или отсутствие восстановления AM этих репрезентаций отражали определенные поведенческие дефициты, которые зависели от длительности инактивации.
Таким образом, ученые показали, на какие зоны мозга мышь опирается в момент задействования рабочей памяти, где в этих зонах хранится удерживаемая информация и как по этой активности можно предсказать, что мышь делает.
Текст: Никита Отставнов