Ритмы мозга раскрывают переход между старыми воспоминаниями и новыми приключениями

Когда мы сталкиваемся с новой ситуацией или пытаемся вспомнить уже знакомое, мозг использует разные схемы связи. Международная группа ученых из Института междисциплинарной физики и сложных систем и из Института нейронаук, показала, что мозг способен гибко перестраивать свои коммуникационные пути, регулируя соотношение между двумя ключевыми тормозными контурами.

Как отмечается в статье, опубликованной в PLoS Computational Biology, эта гибкость основана на тонком балансе между двумя типами тормозных процессов, управляющих взаимодействием медленных (тета) и быстрых (гамма) ритмов. Такой механизм позволяет мозгу переключаться между различными источниками информации – будь то сигналы из внешней среды или уже сохраненные воспоминания. Чтобы прийти к этим выводам, ученые объединили вычислительное моделирование с экспериментальными записями активности гиппокампа – области мозга, играющей ключевую роль в памяти и пространственной ориентации. Они обнаружили, что в знакомой среде, где сенсорные сигналы уже предсказуемы, нейроны выбирают более прямой путь связи: информация передаётся от энторинальной коры к гиппокампу преимущественно через реактивацию уже существующих воспоминаний. Однако при встрече с новизной активируется другой режим, в котором мозг объединяет поступающие сенсорные данные с имеющейся памятью, чтобы обновить ее.

С помощью теоретической модели, основанной на электрофизиологических данных от крыс, исследовавших знакомые и новые условия, исследователи выделили два режима работы: при прямом торможении возникают взаимодействия гамма-тета, тогда как при обратном торможении – тета-гамма. Оба механизма естественным образом задействуются в нейронных сетях мозга. При этом переход между режимами происходит плавно, а приоритет определяется исключительно прочностью синаптических связей в цепи. Такой механизм обеспечивает гибкую подстройку работы мозга под контекст и текущие когнитивные задачи.

Ученые предполагают, что подобная динамическая координация мозговых ритмов может быть характерна не только для процессов памяти, но и для других когнитивных функций, например внимания. Более того, современные исследования на людях показывают схожие закономерности, что подтверждает общий принцип: баланс между тормозными цепями является фундаментальным механизмом распределения информации в сложной нейронной сети мозга.

Полученные результаты имеют значение не только для понимания памяти и навигации, но и могут распространяться на другие когнитивные процессы. В дальнейшем ученые планируют развить свою модель, добавив в нее большее разнообразие типов нейронов и их структур, характерных для разных областей мозга. Такая работа поможет глубже разобраться в том, как нарушение этого баланса связано с заболеваниями, включая эпилепсию, зависимость от наркотиков и болезнь Альцгеймера.