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Gedächtnisarchive: Wie das Gehirn Erinnerungen codiert und reproduziert



Einerseits ist das menschliche Gehirn durchaus verständlich, andererseits ist es voller Rätsel und Fragen, auf die es noch keine Antworten gibt. Und hier ist alles logisch, da dieses System sowohl aus Sicht der Architektur als auch aus Sicht der laufenden Prozesse und der Beziehung zwischen ihnen äußerst komplex ist. Wenn wir das Gehirn mit einem Computer in Klassikern vergleichen, führt es neben der Verarbeitung von Informationen auch dessen Speicherung durch. Jegliche Erinnerung wird unter dem Einfluss eines Stimulus aus den Erinnerungsarchiven entfernt: einem vertrauten Aroma, einer Melodie, Wörtern usw. Es bleibt jedoch die Frage: Wo befindet sich dieses Archiv und was trägt zu seiner Eröffnung bei? Wissenschaftler von NINDS (Nationales Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall) untersuchten das Gehirn von Patienten mit arzneimittelresistenter Epilepsie, um die Mechanismen zur Extraktion von Erinnerungen zu identifizieren und zu erklären. Wie erinnern wir uns?Was passiert in diesem Moment im Gehirn und warum wurde die Studie unter Beteiligung von Patienten mit Epilepsie durchgeführt? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.

Studienbasis


Zunächst ist anzumerken, dass Patienten mit Epilepsie, die einer medikamentösen Behandlung nicht zugänglich sind (Medikamente können Anfälle leider nicht hemmen), an einer anderen Studie teilnehmen, in der Elektroden chirurgisch mit ihrem Gehirn verbunden werden, um die Mechanismen des Ausbruchs von Anfällen zu identifizieren.

Das Vorhandensein dieser Elektroden ermöglicht eine parallele Untersuchung des Gedächtnisses, da der Zusammenhang zwischen dieser Krankheit und dem Gedächtnis ziemlich merkwürdig ist. Forscher erinnern sich, dass 1957 ein Teil des Gehirns einem bestimmten Patienten mit Epilepsie entfernt wurde, um ihn vor Angriffen zu bewahren. Das Verfahren hatte jedoch eine schwerwiegende Nebenwirkung - der Patient konnte keine neuen Erinnerungen mehr bilden, d.h. er verlor den Mechanismus des episodischen Gedächtnisses.

Seitdem ist die Theorie entstanden, dass episodische Erinnerungen als Strukturen (Muster) neuronaler Aktivität erhalten oder codiert werden. Wenn eine Person mit einem Reiz konfrontiert wird (einem vertrauten Geruch, Geräusch usw.), reproduziert das Gehirn diese Aktivität und kann sich so an etwas erinnern, das mit diesem Reiz zusammenhängt. Dies erinnert an die Reproduktion einer Aufzeichnung, auf der die Erinnerung aufgezeichnet wurde, und in diesem Fall dienen externe Reize als Nadel des Spielers. Unabhängig davon, wie schön die Analogie ist, bleibt der Mechanismus dieses Prozesses nur unzureichend verstanden.

Zuvor wurde bereits eine Studie zur Erklärung der Mechanismen zum Extrahieren von Erinnerungen durchgeführt. Mäuse fungierten als Versuchspersonen und Wissenschaftler konnten feststellen, dass das Gehirn Erinnerungen in einzigartigen Sequenzen von Aktionspotentialen speichern kann *.
* — , , .
Die Wissenschaftler beschlossen, die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Nagetierforschung zu überprüfen, indem sie dieselben Studien am menschlichen Gehirn durchführten. Beobachtungen der Gehirnaktivität von Nagetieren, insbesondere des medialen Temporallappens, zeigten, dass einzelne Neuronen Impulse in Sequenzen erzeugen, wenn Tiere die Umgebung untersuchen (in einer Testkammer), und dass diese Sequenzen in Ruhe reproduziert werden (wenn das Tier nicht schläft, sondern von besonderer körperlicher Aktivität ist nein) und im Schlaf.

Die Reproduktion von Peak-Aktivitätssequenzen wurde als Speicherextraktion und -konsolidierung sowie als Teil des Planungsmechanismus interpretiert. Aber das ist alles bei Mäusen, beim Menschen können die Dinge völlig anders sein.

Neuronale Sequenzen, die im medialen Temporallappen von Mäusen reproduziert werden, sind mit schnellen Schwankungen verbunden, die als "Wellen" bezeichnet werden. Wellen hängen auch mit der Extraktion des episodischen Gedächtnisses beim Menschen zusammen. Daher können Wellen theoretisch mit gedächtnisrelevanten wiederholten Reproduktionen der Spitzenaktivität im menschlichen Gehirn assoziiert sein.

Forschungsergebnisse


Um Theorien zu testen, führten Wissenschaftler eine Studie über die Beziehung zwischen kortikalen Wellen und Spitzenaktivität einzelner Neuronen durch. Die Probanden waren 6 Personen (4 Männer und 2 Frauen, Durchschnittsalter 34,8 ± 4,7 Jahre).


Bild Nr. 1

Die wichtigsten Werkzeuge zum Sammeln von Informationen waren: Mikroelektrodenarray (MEA) zum Sammeln von Daten über die Aktionspotentiale einzelner Neuronen und des mikrolokalen Feldes * aus dem vorderen Temporallappen; Elektrokortikogramm (iEEG) zum Sammeln makroskaliger Signale von Subduralelektroden oberhalb des lateralen Temporalkortex und entlang des medialen Temporallappens ( 1A und 1B ).
Die Potentiale des lokalen Feldes * sind temporäre elektrische Signale, die im Nerven- und anderen Gewebe durch die gesamte und synchrone elektrische Aktivität einzelner Zellen (z. B. Neuronen) in diesem Gewebe erzeugt werden.
IEEG-Signale erkannten Welligkeitsschwingungen in MTG und MTL sowie mögliche Verbindungen zwischen Gehirnregionen.
MTL - medialer Temporallappen des Gehirns;
MTG ist der mittlere temporale Gyrus.
Die in den Elektrokortikogrammaufzeichnungen des medialen Temporallappens vorhandenen Wellen waren von Wellen in den Mikro-LFP-Signalen und Aktivitätspeaks einzelner Neuronen begleitet ( 1C ). Die Welligkeiten zeigten eine Leistungssteigerung im Bereich von 80 bis 120 Hz sowohl auf einer Makro-iEEG-Skala als auch auf einer Mikro-LFP-Skala.

Jede in jeder Mikroelektrode detektierte Pulsation ging mit einer Zunahme der Aktivität einzelner Neuronen in diesem Kanal ( 1C ) einher . Die maximale kortikale Aktivität hängt eng mit dem Einsetzen der erkannten Pulsationen auf der Makro-iEEG- und der Mikro-LFP ( 1D ) -Skala zusammen .

Innerhalb eines einzelnen Mikro-LFP-Impulses waren die vom Elektrodenkanal in einem bestimmten Bereich des Kortex erhaltenen Peaks an die Ausbreitung von Wellen gebunden, was mit der bei Nagetieren und Menschen beobachteten Beziehung zwischen Peak- und Pulsationsaktivität übereinstimmt ( 1E und 1F ).


Bild Nr. 2

Jeder der Studienteilnehmer wurde gebeten, die Aufgabe des verbalen Speicherns von Paarwörtern auszuführen, bei der sie codiert und dann in jedem Test neue Assoziationen zwischen Paaren zufällig ausgewählter Wörter abgerufen werden mussten ( 2A ).

Mit einem Burst-Ereignis meinen Wissenschaftler Zeitindizes, in denen kortikale Peaks den Schwellenwert überschritten, basierend auf einer Populationsfrequenz von mindestens 25 ms. Für alle Teilnehmer hatten Bursts eine durchschnittliche Frequenz von 1,4 ± 0,2 Hz, und jeder Burst umfasste 39,9 ± 6,3% aller identifizierten Einheiten (Neuronen) während dieser speziellen Sitzung der Aufgabe. Burst-Ereignisse traten während der gesamten Zeit, in der das Subjekt verbale Paare präsentierte, wiederholt auf ( 2B ).

Als nächstes ordneten die Wissenschaftler die Neuronen in jedem Test gemäß der Modellsequenz neu, die aus dem relativen Aktivitätsausbruch zwischen Neuronenpaaren während jeder Codierungsperiode erhalten wurde. Diese Modellsequenz wurde eher zur Visualisierung als zur Analyse der zeitlichen Struktur der Neuronenaktivität in mehreren Ereignissen während Codierungsperioden und Suchperioden verwendet. Neuronen behalten während einzelner Bursts anscheinend die gleiche sequentielle Reihenfolge des Aktionspotentials während der gesamten Codierungszeit ( 2C ) bei.

Da wiederholte Sequenzen des Aktionspotentials beobachtet wurden, wenn die Teilnehmer der Experimente Wortpaare codierten, war es möglich zu quantifizieren, inwieweit die Sequenzen des Aktionspotentials von Neuronen in Burst-Ereignissen in verschiedenen Versuchen miteinander übereinstimmten oder sich in etwas unterschieden.

Für jedes Burst-Ereignis wurde die Sequenz der Spitzenaktivität zwischen Neuronen innerhalb dieses bestimmten Bursts bestimmt, indem jedes Neuron danach geordnet wurde, wann sein maximales Aktionspotential im Bereich von ± 75 ms vom zentralen Burst-Ereignisindex auftrat.

Es wurden mehrere Beispiele für Neuronen gefunden, die in einem Test eine Sequenz bildeten und dann im nächsten Test ( 2D ) reorganisierten, um eine andere Sequenz zu bilden .

Um zu überprüfen, wie ähnlich eine Sequenz einer anderen Sequenz ist, wurde ein Korrespondenzkoeffizient bestimmt, der die paarweisen zeitlichen Beziehungen zwischen allen Neuronen, die beiden Sequenzen gemeinsam sind, vergleicht und einen Wert von 1 für die perfekte Vorwärtswiedergabe und -1 für die perfekte Rückwärtswiedergabe annimmt .

Nachdem der durchschnittliche paarweise Wert des Korrespondenzkoeffizienten zwischen allen Sequenzen in jedem Test bestimmt worden war, wurde ein Vergleich dieses Durchschnittswerts mit der Verteilung der Koeffizientenwerte durchgeführt, die beim Vergleich aller paarweisen Kombinationen von Sequenzen in verschiedenen Tests auftritt.

Die Datenanalyse zeigte einen gemeinsamen Parameter für die Codierung und die Reproduktion von Erinnerungen - wiederholte Sequenzen von kortikalen Aktivitätspeaks, die in allen Studien beobachtet wurden, selbst wenn die Teilnehmer ein verbales Paar nicht korrekt zusammenstellten.


Bild Nr. 3

Wenn eine erfolgreiche Codierung des Gedächtnisses von der zeitlichen Abfolge des Aktionspotentials von Neuronen abhängt, sollte die Extraktion des Gedächtnisses von derselben Abfolge abhängen ( 3A)) Während aller Tests wurden wiederholte Burst-Ereignisse während der Codierung und Suche beobachtet ( 3B ).

Während der Speicherextraktion wurden die Sequenzen offenbar den Codierungssequenzen immer ähnlicher, bis der Teilnehmer seine Antwort aussprach ( 3C ).

Es ist merkwürdig, dass die Sequenzwiederholungsdaten während des Codierens und während des Speicherabrufs zunahmen, wenn die Aufgabe richtig beantwortet wurde (Wortpaar). In dem Fall, in dem der Teilnehmer das verbale Paar falsch neu erstellte, wurde weniger beobachtet ( 3D) Bevor der Teilnehmer jedoch die falsche Antwort aussprach, waren die Suchsequenzen den Codierungssequenzen ähnlich. Mit anderen Worten, die Sequenz der Aktivierung von Neuronen während des Auswendiglernen eines verbalen Paares stimmte mehr mit der Aktivität während des Sprechens der Antwort in der richtigen Version überein als im Fall einer falschen Antwort. Daraus folgt, dass das Gehirn, falls erforderlich, sich an etwas Bestimmtes erinnert, die gewünschte Platte mit dieser Erinnerung auswählt und sie metaphorisch reproduziert.

Wenn es einen solchen Mechanismus gibt, sollte er für verschiedene Speicher individuell sein ( 3F) Es wurde auch festgestellt, dass die korrekte Codierung und das Abrufen von Informationen eine niedrigere Burst-Frequenz der Neuronenpopulation und einen niedrigeren Fano-Koeffizienten im Vergleich zu ähnlichen in den Versuchen mit der falschen Antwort aufwiesen. Dies legt nahe, dass eine erfolgreiche Suche die Reproduktion exakter Sequenzen neuronaler Erregung ( 3G ) beinhaltet.


Bild Nr. 4

Wie bereits erwähnt, stehen die während der Suche beobachteten Burst-Ereignisse in engem Zusammenhang mit Welligkeitsschwingungen auf der Makro-iEEG- und der Mikro-LFP-Skala ( 1C)) Nur wenige dieser kortikalen Ereignisse sind jedoch mit Wellen im medialen Temporallappen verbunden. Frühere Studien legen nahe, dass kortikale Burst-Ereignisse, die mit ähnlichen Ereignissen im medialen Temporallappen ( 4A ) verbunden sind, das Herzstück der Gedächtniswiederherstellung bilden .

Während verbaler Paartests wurden Burst-Ereignisse im Zusammenhang mit dem medialen Temporallappen beobachtet, die einen höheren Koeffizienten der Sequenzähnlichkeit mit der Codierungsperiode zeigten als jene Ereignisse, die ohne Aktivität des medialen Temporallappens auftraten ( 4B ).

Es wurde auch gefunden, dass die Reproduktion des Gedächtnisses in der Großhirnrinde, verursacht durch Aktivität im medialen Temporallappen, spätestens 100 ms nach dem Einsetzen dieser Aktivität erfolgte ( 4C ).

Während der Tests, als die Teilnehmer die richtige Antwort gaben, zeigten die mit MTL-Pulsationen verbundenen Burst-Ereignisse eine signifikant größere Reproduktion der während der Codierung vorhandenen Sequenzen im Vergleich zu nicht verwandten Ereignissen ( 4D ).

Daraus folgt, dass für jede Kodierung des Gedächtnisses eine eigene Aktivitätssequenz einzelner Neuronen vorliegt. Und für die korrekte Reproduktion von Erinnerungen muss das Gehirn diese Sequenz wiederholt reproduzieren.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog


In dieser Studie konnten Wissenschaftler direkte materielle Beweise dafür erhalten, dass die Reproduktion von Erinnerungen auf der koordinierten Reproduktion von Sequenzen von Aktionspotentialen von Neuronen im menschlichen Gehirn basiert.

Wenn sich eine Person an etwas erinnert, wird im Gehirn eine Sequenz neuronaler Aktivität gebildet. Wenn er sich an etwas erinnern möchte, muss sein Gehirn die zuvor erstellte Sequenz reproduzieren, um das gewünschte Gedächtnis erfolgreich zu extrahieren.

Dies wurde während der Tests bestätigt. Wenn sich die Testteilnehmer korrekt an ein bestimmtes verbales Paar erinnerten, stimmte die Reihenfolge von Reproduktion (Gedächtnis) und Codierung (Auswendiglernen) überein, was bei fehlerhaften Antworten nicht beobachtet wurde.

Laut den Forschern kann ihre Arbeit ein zusätzliches Werkzeug sein, um alle Merkmale destruktiver Prozesse im menschlichen Gehirn zu verstehen, die zu Gedächtnis-, Bewusstseins- und Denkstörungen führen. Wenn wir aus wissenschaftlicher Sicht argumentieren, kann das Verständnis, dass es eine bestimmte Sequenz gibt, die reproduziert werden kann, es uns ermöglichen, die erforderlichen Erinnerungen zum richtigen Zeitpunkt genau und schnell zu reproduzieren.

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