Get best of the week

Arsip memori: bagaimana otak menyandikan dan mereproduksi memori



Di satu sisi, otak manusia cukup bisa dimengerti, di sisi lain, ia penuh dengan teka-teki dan pertanyaan yang belum ada jawabannya. Dan di sini semuanya logis, mengingat bahwa sistem ini sangat kompleks baik dari sudut pandang arsitektur, dan dari sudut pandang proses yang sedang berlangsung dan hubungan di antara mereka. Jika kita membandingkan otak dengan komputer klasik, maka selain memproses informasi, ia juga melakukan penyimpanannya. Memori apa pun dihapus dari arsip memori di bawah pengaruh semacam stimulus: aroma, melodi, kata-kata, dll. Namun, pertanyaannya tetap ada - di mana arsip ini dan apa yang berkontribusi pada pembukaannya? Para ilmuwan dari NINDS (National Institute of Neurological Disorders and Stroke) memeriksa otak pasien dengan epilepsi yang resistan terhadap obat untuk mengidentifikasi dan mencoba menjelaskan mekanisme untuk mengekstraksi ingatan. Jadi bagaimana kita mengingatnya?apa yang terjadi di otak pada saat ini dan mengapa penelitian dilakukan dengan partisipasi pasien dengan epilepsi? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Pertama-tama, perlu dicatat bahwa pasien dengan epilepsi, yang tidak setuju dengan pengobatan obat (sayangnya, obat-obatan tidak dapat mengendalikan kejang), adalah peserta dalam penelitian lain di mana elektroda terhubung dengan operasi ke otak mereka untuk mengidentifikasi mekanisme terjadinya kejang.

Kehadiran elektroda ini memungkinkan studi paralel memori, karena hubungan antara penyakit ini dan memori cukup aneh. Para peneliti ingat bahwa pada tahun 1957, sebagian otak telah dipindahkan ke pasien epilepsi tertentu untuk menyelamatkannya dari serangan. Tetapi prosedur ini memiliki efek samping yang serius - pasien tidak dapat lagi membentuk ingatan baru, yaitu dia kehilangan mekanisme memori episodik.

Sejak itu, teori telah muncul bahwa ingatan episodik dipertahankan atau dikodekan sebagai struktur (pola) aktivitas saraf. Ketika seseorang dihadapkan dengan beberapa jenis rangsangan (bau, suara, dll.) Yang akrab, otak mereproduksi aktivitas ini, sehingga memungkinkannya untuk mengingat sesuatu yang berkaitan dengan rangsangan ini. Ini mengingatkan reproduksi catatan di mana memori direkam, dan dalam hal ini rangsangan eksternal berfungsi sebagai jarum pemain. Namun demikian, tidak peduli betapa indah analoginya, mekanisme proses ini tetap kurang dipahami.

Sebelumnya, sebuah penelitian yang bertujuan menjelaskan mekanisme untuk mengekstraksi ingatan telah dilakukan. Tikus bertindak sebagai subjek eksperimental dan para ilmuwan dapat menentukan bahwa otak dapat menyimpan ingatan dalam urutan unik dari potensi aksi *.
* — , , .
Para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa keandalan hasil penelitian pada tikus dengan melakukan studi yang sama pada otak manusia. Pengamatan aktivitas otak tikus, khususnya lobus temporal medial, menunjukkan bahwa neuron individu menghasilkan impuls dalam urutan ketika hewan mempelajari lingkungan (di ruang uji), dan bahwa urutan ini direproduksi selama istirahat (ketika hewan tidak tidur, tetapi aktivitas fisik tertentu tidak) dan selama tidur.

Reproduksi urutan aktivitas puncak ditafsirkan sebagai ekstraksi memori dan konsolidasi, serta bagian dari mekanisme perencanaan. Tapi ini semua pada tikus, dengan manusia hal bisa sangat berbeda.

Sekuens saraf yang direproduksi dalam lobus temporal medial tikus dikaitkan dengan fluktuasi yang cepat, yang disebut "riak". Riak juga terkait dengan mengekstraksi memori episodik pada manusia. Oleh karena itu, secara teori riak dapat dikaitkan dengan reproduksi berulang yang relevan dari aktivitas puncak di otak manusia.

Hasil penelitian


Untuk menguji teori, para ilmuwan melakukan penelitian tentang hubungan antara riak kortikal dan aktivitas puncak neuron individu. Subjek uji adalah 6 orang (4 pria dan 2 wanita, usia rata-rata 34,8 ± 4,7 tahun).


Gambar No. 1

Alat utama untuk mengumpulkan informasi adalah: microelectrode array (MEA) untuk mengumpulkan data tentang potensi aksi neuron individu dan bidang mikro-lokal * dari lobus temporal anterior; electrocorticogram (iEEG) untuk mengumpulkan sinyal makro dari elektroda subdural yang terletak di atas korteks temporal lateral dan sepanjang lobus temporal medial ( 1A dan 1B ).
Potensi medan lokal * adalah sinyal listrik sementara yang dihasilkan di saraf dan jaringan lain melalui aktivitas listrik total dan sinkron sel individu (misalnya, neuron) dalam jaringan ini.
Sinyal IEEG mendeteksi getaran tipe-ripple di MTG dan MTL, serta kemungkinan koneksi antar wilayah otak.
MTL - lobus temporal medial otak;
MTG adalah gyrus temporal yang berarti.
Riak hadir dalam rekaman elektrokortikogram lobus temporal medial disertai dengan riak dalam sinyal mikro-LFP dan puncak aktivitas neuron individu ( 1C ). Riak-riak menunjukkan peningkatan daya dalam kisaran 80-120 Hz baik pada skala makro-iEEG dan skala mikro-LFP.

Setiap denyutan yang terdeteksi pada setiap elektroda mikro disertai dengan peningkatan aktivitas neuron individu dalam saluran ini ( 1C ). Aktivitas kortikal puncak terkait erat dengan timbulnya denyut yang terdeteksi pada skala makro-iEEG dan mikro-LFP ( 1D ).

Dalam satu pulsa mikro-LFP, puncak yang diperoleh dari saluran elektroda di daerah tertentu dari korteks terkait dengan perbanyakan riak, yang konsisten dengan hubungan antara aktivitas puncak dan denyut yang diamati pada tikus dan manusia ( 1E dan 1F ).


Image No. 2

Setiap peserta penelitian diminta untuk melakukan tugas menghafal kata-kata berpasangan secara verbal, yang mengharuskan mereka untuk dikodekan dan kemudian mengambil asosiasi baru antara pasangan kata yang dipilih secara acak dalam setiap tes ( 2A ).

Dengan peristiwa meledak, para ilmuwan berarti indeks waktu di mana puncak kortikal melebihi ambang batas berdasarkan frekuensi populasi setidaknya 25 ms. Untuk semua peserta, ledakan memiliki frekuensi rata-rata 1,4 ± 0,2 Hz, dan masing-masing ledakan mencakup 39,9 ± 6,3% dari semua unit yang diidentifikasi (neuron) selama sesi tugas ini. Peristiwa meledak terjadi berulang kali sepanjang subjek disajikan pasangan verbal ( 2B ).

Selanjutnya, para ilmuwan menata ulang neuron dalam setiap tes sesuai dengan urutan model yang diperoleh dari ledakan relatif aktivitas antara pasangan neuron selama setiap periode pengkodean. Urutan model ini lebih banyak digunakan untuk visualisasi daripada untuk analisis struktur temporal aktivitas neuron dalam beberapa peristiwa selama periode pengkodean dan periode pencarian. Neuron selama semburan individu tampaknya mempertahankan urutan tindakan potensial yang sama selama seluruh waktu pengkodean ( 2C ).

Karena urutan berulang dari aksi potensial diamati ketika partisipan dalam percobaan mengkodekan pasangan kata, dimungkinkan untuk mengukur sejauh mana urutan potensial aksi neuron dalam peristiwa burst konsisten satu sama lain dalam percobaan yang berbeda atau berbeda dalam sesuatu.

Untuk setiap peristiwa burst, urutan aktivitas puncak antara neuron dalam ledakan khusus ini ditentukan dengan memesan masing-masing neuron berdasarkan kapan potensi aksi maksimumnya muncul dalam kisaran ± 75 ms dari indeks peristiwa burst pusat.

Beberapa contoh neuron ditemukan yang membentuk urutan dalam satu tes dan kemudian ditata ulang untuk membentuk urutan yang berbeda selama tes berikutnya ( 2D ).

Untuk memeriksa seberapa mirip urutan apa pun dengan urutan lainnya, koefisien korespondensi ditentukan yang membandingkan hubungan temporal berpasangan antara semua neuron yang umum untuk kedua urutan dan mengambil nilai 1 untuk pemutaran maju sempurna dan -1 untuk pemutaran balik sempurna .

Setelah menentukan nilai rata-rata berpasangan dari koefisien korespondensi antara semua urutan dalam setiap tes, perbandingan dibuat dari nilai rata-rata ini dengan distribusi nilai-nilai koefisien yang terjadi ketika membandingkan semua kombinasi urutan pasangan dalam percobaan yang berbeda.

Analisis data menunjukkan parameter umum untuk pengkodean dan untuk mereproduksi ingatan - urutan puncak aktivitas kortikal berulang yang diamati dalam semua percobaan, bahkan ketika peserta tidak menyusun pasangan verbal dengan benar.


Gambar No. 3

Oleh karena itu, jika pengkodean memori yang sukses tergantung pada urutan waktu dari potensial aksi neuron, maka ekstraksi memori harus bergantung pada urutan yang sama ( 3A) Selama semua tes, kejadian burst berulang diamati selama pengkodean dan pencarian ( 3B ).

Dalam proses ekstraksi memori, urutan, tampaknya, menjadi lebih dan lebih mirip dengan urutan pengkodean sampai saat ketika peserta menyuarakan jawabannya ( 3C ).

Sangat mengherankan bahwa urutan pengulangan data selama pengkodean dan selama pengambilan memori meningkat jika tugas itu dijawab dengan benar (pasangan kata). Dalam kasus ketika peserta salah menciptakan pasangan verbal, kurang diamati ( 3D) Namun, sebelum peserta menyuarakan jawaban yang salah, urutan pencarian mirip dengan urutan pengkodean. Dengan kata lain, urutan aktivasi neuron selama menghafal pasangan verbal bertepatan dengan aktivitas selama menyuarakan jawaban dalam versi yang benar lebih dari dalam kasus jawaban yang salah. Dari sini dapat disimpulkan bahwa otak, jika perlu, mengingat sesuatu yang spesifik, memilih lempeng yang diinginkan dengan memori ini dan mereproduksinya, secara metaforis.

Jika mekanisme semacam itu ada, maka itu harus bersifat individual untuk ingatan yang berbeda ( 3F) Juga ditemukan bahwa pengkodean dan pengambilan informasi yang benar memiliki frekuensi ledakan yang lebih rendah dari populasi neuron dan koefisien Fano yang lebih rendah dibandingkan dengan yang serupa dalam uji coba dengan jawaban yang salah. Ini menunjukkan bahwa pencarian yang sukses melibatkan mereproduksi urutan eksitasi saraf yang tepat ( 3G ).


Gambar No. 4

Seperti yang disebutkan sebelumnya, peristiwa burst yang diamati selama pencarian terkait erat dengan osilasi tipe riak pada skala makro-iEEG dan skala mikro-LFP ( 1C) Namun, hanya beberapa kejadian kortikal yang berhubungan dengan riak di lobus temporal medial. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa peristiwa ledakan kortikal yang terkait dengan peristiwa serupa di lobus temporal medial ( 4A ) berada di jantung pengambilan memori .

Selama tes pasangan verbal, peristiwa ledakan yang terkait dengan lobus temporal medial diamati, yang menunjukkan koefisien kemiripan urutan yang lebih tinggi dengan periode pengkodean dibandingkan peristiwa yang terjadi tanpa adanya aktivitas lobus temporal medial ( 4B ).

Juga ditemukan bahwa reproduksi memori dalam korteks serebral, yang disebabkan oleh aktivitas di lobus temporal medial, terjadi paling lambat 100 ms setelah permulaan aktivitas ini ( 4C ).

Selama tes, ketika para peserta memberikan jawaban yang benar, peristiwa burst yang terkait dengan pulsasi MTL menunjukkan reproduksi signifikan lebih besar dari urutan yang hadir selama pengkodean dibandingkan dengan peristiwa yang tidak terkait ( 4D ).

Dari sini dapat disimpulkan bahwa untuk setiap pengkodean memori ada urutan aktivitas neuron individu. Dan untuk reproduksi memori yang benar, otak harus mereproduksi urutan ini berulang kali.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog


Dalam studi ini, para ilmuwan dapat memperoleh bukti material langsung bahwa reproduksi ingatan didasarkan pada reproduksi terkoordinasi dari sekuens aksi potensial neuron di otak manusia.

Ketika seseorang mengingat sesuatu, urutan aktivitas neuronal terbentuk di otak. Ketika dia ingin mengingat sesuatu, agar berhasil mengekstraksi memori yang diinginkan, otaknya harus mereproduksi urutan yang dibuat sebelumnya.

Ini dikonfirmasi selama tes. Ketika peserta tes benar mengingat pasangan verbal yang diberikan, urutan reproduksi (memori) dan pengkodean (menghafal) bertepatan, yang tidak diamati dalam kasus jawaban yang salah.

Menurut para peneliti, pekerjaan mereka dapat menjadi alat tambahan dalam mencoba memahami semua fitur proses destruktif di otak manusia yang menyebabkan gangguan memori, kesadaran dan pemikiran. Jika kita berdebat dari sudut pandang yang lebih ilmiah, maka memahami bahwa ada urutan tertentu yang dapat direproduksi dapat memungkinkan kita untuk secara akurat dan cepat mereproduksi memori yang diperlukan pada waktu yang tepat.

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles