Новое понимание активности мозга во время сна может помочь в создании инструментов для тех, кто страдает неврологическими заболеваниями или повреждениями.
Почему люди спят? Этот вопрос обсуждался учеными сотни лет, но недавнее исследование, проведенное Массачусетской больницей общего профиля (MGH) в сотрудничестве с экспертами из Университета Брауна, Департамента по делам ветеранов и ряда других учреждений, дает новые ключи к разгадке этой тайны. Их исследование, недавно опубликованное в Journal of Neuroscience, может помочь объяснить, как люди запоминают вещи и приобретают новые навыки. Он также может помочь в создании вспомогательных средств для людей с неврологическими заболеваниями или травмами.
По словам ведущего автора исследования и невролога Дэниела Рубина, доктора медицинских наук из Центра нейротехнологий и нейровосстановления MGH, ученым давно известно, что во время сна происходит явление, известное как «репродукция». Повтор считается механизмом, используемым мозгом для запоминания новой информации. По мере того, как мышь учится перемещаться по лабиринту, устройство мониторинга может показать, что точная структура клеток мозга или нейронов загорается, когда мышь движется по правильному пути.
— Позже, когда животное спит, вы можете увидеть, как эти нейроны снова активируются в том же порядке, — говорит Рубин.
Ученые предполагают, что именно так мозг использует вновь полученные знания во время сна и позволяет консолидировать воспоминания, т.е. превращать кратковременные воспоминания в долговременные.
Однако воспроизведение было правильно показано только на лабораторных животных.
— В нейробиологическом сообществе был открытый вопрос: в какой степени эта модель того, как мы учимся, верна для людей? И применимо ли это к разным типам обучения? — спрашивает невролог Сидней С. Кэш, доктор медицинских наук, содиректор Центра нейротехнологий и нейровосстановления в MGH и соавтор исследования.
Важно, говорит Кэш, понимание того, происходит ли репликация при изучении двигательных навыков, может помочь разработать новые методы лечения и инструменты для людей с неврологическими заболеваниями и травмами.
Чтобы увидеть, происходит ли размножение в двигательной коре человека — области мозга, которая контролирует движение, — Рубин, Кэш и их коллеги вызвали 36-летнего мужчину с тетраплегией (также называемой квадриплегией), что означает, что он не может двигать верхней и нижней частями тела, в его случае в результате травмы спинного мозга. Мужчина, идентифицированный в исследовании как T11, участвует в клинических испытаниях устройства интерфейса мозг-компьютер, которое позволяет ему использовать компьютерный курсор и экранную клавиатуру. Исследовательское устройство разрабатывается консорциумом BrainGate Consortium, совместными усилиями клиницистов, нейробиологов и инженеров из нескольких учреждений для создания технологий для восстановления связи, мобильности и независимости для людей с неврологическими заболеваниями, травмами или потерей конечностей. Консорциум возглавляет Ли Р. Хохберг, доктор медицины,
В ходе исследования Т11 попросили выполнить задание на запоминание, аналогичное электронной игре «Саймон», в которой игрок наблюдает за последовательностью мигающих цветных огней, а затем должен запомнить и вспомнить эту последовательность. Он управлял курсором на экране компьютера, просто думая о движении собственной руки. Датчики, имплантированные в моторную кору Т11, измеряли паттерны возбуждения нейронов, которые отражали предполагаемое движение его руки, позволяя ему перемещать курсор по экрану и щелкать в нужных местах. Эти сигналы мозга записывались и передавались по беспроводной связи на компьютер.
— Той ночью, пока Т11 спал дома, активность его моторной коры была записана и передана по беспроводной связи на компьютер. «То, что мы обнаружили, было невероятным, — говорит Рубин.
На самом деле он играл в игру ночью во сне. В нескольких случаях, по словам Рубина, паттерны возбуждения нейронов T11 во время сна точно совпадали с паттернами, которые проявлялись, когда он играл в игру на сопоставление памяти ранее днем.
— Это самое прямое свидетельство воспроизведения в моторной коре, когда-либо наблюдавшееся у людей во время сна, — говорит Рубин.
Большинство повторений, обнаруженных в исследовании, произошло во время медленного сна, стадии глубокого сна. Интересно, что повторное воспроизведение с гораздо меньшей вероятностью обнаруживалось, когда T11 находился в фазе быстрого сна, который чаще всего ассоциируется со сновидениями. Рубин и Кэш рассматривают эту работу как основу для дальнейшего изучения воспроизведения и его роли в обучении и памяти у людей.
— Мы надеемся использовать эту информацию, чтобы помочь построить лучшие интерфейсы мозг-компьютер и разработать парадигмы, которые помогут людям учиться быстрее и эффективнее, чтобы они могли восстановить контроль после травмы, — говорит Кэш, отмечая важность переноса этого направления исследований с животных на людей.
— Такого рода исследования получают огромную пользу от тесного сотрудничества с нашими участниками, — добавляет он с благодарностью T11 и другим участникам клинического испытания BrainGate.
Хохберг соглашается.
— Наши невероятные участники BrainGate не только предоставляют ценные отзывы при создании системы для восстановления связи и мобильности, но также дают нам редкую возможность продвинуть основы человеческой нейробиологии — понять, как человеческий мозг работает на уровне отдельных нейронных цепей, — говорит он, — и использовать эту информацию для создания восстановительных нейротехнологий следующего поколения.
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен