Gerai žinoma, kad vietos ląstelės koduoja atskiras vietas, tačiau nauji eksperimentai ir analizė rodo, kad norint sujungti visos aplinkos „pažinimo žemėlapį“, reikalingas platesnis ląstelių ansamblis, padedamas miego, kad per kelias dienas būtų sukurtas turtingesnis tinklas.
Pirmąją atostogų naujame mieste dieną jūsų tyrinėjimai atskleidžia daugybę atskirų vietų. Nors prisiminimai apie šias vietas (kaip gražus sodas ramioje šoninėje gatvelėje) iš karto jaučiasi neišdildomi, gali praeiti kelios dienos, kol turėsite pakankamai intuicijos apie apylinkes, kad nukreiptumėte naujesnį turistą į tą pačią vietą ir galbūt į kavinę, kurią atradote. netoliese.
Naujas tyrimas su pelėmis, atliktas MIT neurologų iš Picower mokymosi ir atminties instituto, suteikia naujų įrodymų, kaip smegenys sudaro darnius pažintinius ištisų erdvių žemėlapius ir pabrėžia kritinę miego svarbą šiam procesui.
Mokslininkai dešimtmečius žinojo, kad smegenys skiria neuronus regione, vadinamame hipokampu, kad prisimintų konkrečias vietas. Vadinamosios „vietinės ląstelės“ patikimai suaktyvėja, kai gyvūnas yra toje vietoje, kurią neuronas yra suderintas prisiminti. Tačiau naudingiau, nei turėti konkrečių erdvių žymeklius, turėti mentalinį modelį, kaip jos visos yra susijusios nuolatinėje bendroje geografijoje. Nors tokie „kognityviniai žemėlapiai“ buvo oficialiai sukurti 1948 m., neurologai liko neaiškūs, kaip smegenys juos sukuria.
Naujasis tyrimas gruodžio mėnesio leidime Ląstelių ataskaitos nustato, kad galimybė gali priklausyti nuo subtilių, bet reikšmingų pokyčių per dienas ląstelių veikloje, kurios yra tik silpnai suderintos su atskiromis vietomis, tačiau padidina hipokampo visos erdvės kodavimo tvirtumą ir tobulinimą. Tyrimo analizė rodo, kad miego metu šios „silpnai erdvinės“ ląstelės vis labiau praturtina neuroninio tinklo veiklą hipokampe, kad sujungtų šias vietas į pažinimo žemėlapį.
„Pirmąją dieną smegenys nelabai gerai reprezentuoja erdvę“, – sakė pagrindinis autorius Wei Guo, vyresniojo autoriaus Matthew Wilsono, Shermano Fairchildo profesoriaus Pikoverio instituto ir MIT Biologijos ir smegenų bei smegenų katedrų laboratorijos mokslininkas. Kognityviniai mokslai.
„Neuronai atstovauja atskiroms vietoms, bet kartu jie nesudaro žemėlapio. Tačiau 5 dieną jie sudaro žemėlapį. Jei norite žemėlapio, jums reikia, kad visi šie neuronai dirbtų kartu koordinuotame ansamblyje.”
Pelės kartografuoja labirintus
Norėdami atlikti tyrimą, Guo ir Wilsonas kartu su laboratorijos draugais Jie „Jack” Zhang ir Jonathan Newman supažindino peles su paprastais įvairių formų labirintais ir leido joms laisvai tyrinėti jas maždaug pusvalandį per dieną kelias dienas. Svarbu tai, kad pelėms nebuvo nurodyta išmokti ko nors konkretaus, siūlant atlygį. Jie tiesiog klajojo. Ankstesni tyrimai parodė, kad pelės po kelių dienų natūraliai demonstruoja „latentinį erdvių mokymąsi“ iš tokios neatlygintinos patirties.
Kad suprastų, kaip įsitvirtina latentinis mokymasis, Guo ir jo kolegos vizualiai stebėjo šimtus neuronų hipokampo CA1 srityje, sukurdami ląstelių blyksėjimą, kai dėl kalcio jonų susikaupimo jie tampa elektra aktyvūs. Jie ne tik užfiksavo neuronų blyksnius pelėms aktyviai tyrinėjant, bet ir miegant. Wilsono laboratorija parodė, kad gyvūnai „atkartoja“ savo ankstesnes keliones miego metu, iš esmės tobulindami savo prisiminimus sapnuodami apie savo patirtį.
Įrašų analizė parodė, kad vietos ląstelių aktyvumas išsivystė iš karto ir išliko stiprus bei nepakitęs per kelias tyrinėjimo dienas. Tačiau vien ši veikla nepaaiškintų, kaip latentinis mokymasis ar pažinimo žemėlapis vystosi per kelias dienas.
Taigi, skirtingai nuo daugelio kitų tyrimų, kuriuose mokslininkai sutelkia dėmesį tik į stiprų ir aiškų vietos ląstelių aktyvumą, Guo išplėtė savo analizę ir apėmė subtilesnę ir paslaptingesnę ląstelių veiklą, kurios nebuvo taip stipriai suderintos erdvėje. Naudodamas naują metodą, vadinamą „daugiarūšiu mokymusi“, jis sugebėjo pastebėti, kad daugelis „silpnai erdvinių“ ląstelių savo veiklą palaipsniui koreliavo ne su vietomis, o su veiklos modeliais tarp kitų tinklo neuronų. Kadangi tai vyksta, Guo analizė parodė, kad tinklas užkodavo kognityvinį labirinto žemėlapį, kuris vis labiau primena tiesioginę, fizinę erdvę.
„Nors nereaguoja į konkrečias vietas, pvz., stipriai erdvines ląsteles, silpnai erdvinės ląstelės specializuojasi reaguodamos į „protines vietas“, ty į specifinius kitų ląstelių šaudymo iš ansamblio modelius“, – rašė tyrimo autoriai. „Jei silpnai erdvinės ląstelės psichinis laukas. apima du stipriai erdvinių ląstelių pogrupius, kurie koduoja skirtingas vietas, ši silpnai erdvinė ląstelė gali būti tiltas tarp šių vietų.
Kitaip tariant, silpnai erdvinių ląstelių veikla greičiausiai sujungia atskiras vietas, kurias vaizduoja vietos ląstelės, į psichinį žemėlapį.
Miego poreikis
Wilsono laboratorijos ir daugelio kitų atlikti tyrimai parodė, kad prisiminimus konsoliduoja, tobulina ir apdoroja nervinė veikla, pvz., atkūrimas, vykstantis miego ir poilsio metu. Todėl Guo ir Wilsono komanda siekė patikrinti, ar miegas yra būtinas, kad silpnai erdvinės ląstelės prisidėtų prie latentinio pažinimo žemėlapių mokymosi.
Norėdami tai padaryti, kai kurioms pelėms jie leidžia du kartus per tą pačią dieną tyrinėti naują labirintą su trijų valandų siesta tarp jų. Kai kurioms pelėms buvo leista miegoti, bet kai kurioms – ne. Tie, kurie tai padarė, rodė reikšmingą jų psichinio žemėlapio patobulinimą, tačiau tie, kuriems nebuvo leista miegoti, tokio pagerėjimo neparodė.
Ne tik pagerėjo žemėlapio tinklo kodavimas, bet ir atskirų ląstelių derinimo matavimai parodė, kad miegas padėjo ląstelėms geriau prisitaikyti tiek prie vietų, tiek prie tinklo veiklos modelių, vadinamųjų „protinių vietų“ arba „laukų“.
Psichikos žemėlapio reikšmė
„Pažinimo žemėlapiai“, kuriuos pelės užkodavo kelias dienas, nebuvo pažodiniai, tikslūs labirintų žemėlapiai, pažymi Guo. Vietoj to, jie buvo labiau panašūs į schemas. Jų vertė yra ta, kad jie suteikia smegenims topologiją, kurią galima tyrinėti protiškai, nebūtinai būti fizinėje erdvėje.
Pavyzdžiui, susidarę pažintinį apylinkių žemėlapį aplink viešbutį, galite suplanuoti kito ryto ekskursiją (pvz., galite įsivaizduoti, kad už kelių kvartalų į vakarus stebėtoje kepyklėlėje paimsite kruasaną, o tada valgysite jį ant vieno iš tuos suoliukus, kuriuos pastebėjote parke palei upę).
Iš tiesų, Wilsonas iškėlė hipotezę, kad silpnai erdvinių ląstelių veikla gali uždengti svarbią neerdvinę informaciją, kuri suteikia žemėlapiams papildomos reikšmės (ty kepyklėlės idėja nėra erdvinė, net jei ji glaudžiai susijusi su konkrečia vieta). Tačiau tyrimas neapėmė jokių orientyrų labirintuose ir netikrino jokio specifinio pelių elgesio.
Tačiau dabar, kai tyrimas nustatė, kad silpnai erdvinės ląstelės reikšmingai prisideda prie žemėlapių sudarymo, Wilsonas teigė, kad būsimi tyrimai gali ištirti, kokią informaciją jie gali įtraukti į gyvūnų suvokimą apie savo aplinką. Atrodo, kad erdves, kuriose gyvename, intuityviai laikome daugiau nei tik atskirų vietų rinkiniais.
„Šiame tyrime daugiausia dėmesio skyrėme gyvūnams, kurie elgiasi natūraliai, ir parodėme, kad laisvai tyrinėjant elgseną ir vėlesnį miegą, nesant sutvirtinimo, vis dar vyksta esminiai nervinės plastikos pokyčiai ansamblio lygiu“, – padarė išvadą autoriai. „Ši netiesioginio ir neprižiūrimo mokymosi forma yra esminis žmogaus mokymosi ir intelekto aspektas, todėl būtina atlikti tolesnius nuodugnius tyrimus.