Neuronové rytmy ovlivňují paměť
Mozek se učí změnám v síle svých synapsí - spojení mezi neurony - v reakci na podněty. Nyní, v objevu, který zpochybňuje konvenční moudrost mozkových mechanismů učení, neurofyzici z UCLA zjistili, že existuje optimální mozkový „rytmus“ nebo frekvence pro změnu synaptické síly.
Stejně jako stanice na rádiovém vytáčení je každá synapse naladěna na jinou optimální frekvenci pro učení.
Vědci se domnívají, že tato zjištění mohou vést k jednotné teorii mechanismů, které jsou základem učení v mozku - k objevu, který by mohl vést k novým terapiím léčby poruch učení.
Studie se objevuje v aktuálním čísle časopisu Frontiers in Computational Neuroscience.
"Mnoho lidí má poruchy učení a paměti a mimo tuto skupinu většina z nás není Einstein nebo Mozart," uvedl Mayank R. Mehta, Ph.D., hlavní autor příspěvku. "Naše práce naznačuje, že některé problémy s učením a pamětí jsou způsobeny tím, že synapse nejsou naladěny na správnou frekvenci."
Změna síly synapse v reakci na podněty - známá jako synaptická plasticita - je vyvolána pomocí takzvaných „spike trainů“, série nervových signálů, které se vyskytují s různou frekvencí a časováním.
Předchozí experimenty používaly stovky po sobě jdoucích špiček ve velmi vysokofrekvenčním rozsahu k vyvolání plasticity. To však není případ, kdy je mozek aktivován během behaviorálních úkolů v reálném životě, protože neurony vystřelí pouze asi 10 po sobě jdoucích hrotů, ne několik set. A to při mnohem nižší frekvenci - obvykle v rozsahu 50 špiček za sekundu.
Až dosud nebyli vědci schopni provádět experimenty, které simulovaly přirozenější úrovně.
V nové studii byli Mehta a spoluautor Arvind Kumar, Ph.D., schopni tato měření získat poprvé pomocí sofistikovaného matematického modelu, který vyvinuli a ověřili pomocí experimentálních dat.
Na rozdíl od toho, co se dříve předpokládalo, Mehta a Kumar zjistili, že pokud jde o stimulaci synapsí s přirozeně se vyskytujícími špičkovými vzory, stimulace neuronů na nejvyšších frekvencích nebyla nejlepším způsobem, jak zvýšit synaptickou sílu.
"K našemu překvapení jsme zjistili, že nad optimální frekvenci synaptické posilování ve skutečnosti klesalo, jak se frekvence zvyšovaly."
Vědomí, že synapse má preferovanou frekvenci pro maximální učení, vedlo vědce k porovnání optimálních frekvencí na základě umístění synapse na neuronu.
Neurony mají tvar stromů, přičemž jádro je základnou stromu, dendrity připomínající rozsáhlé větve a synapsy připomínající listy na těchto větvích.
Když Mehta a Kumar porovnávali synaptické učení na základě toho, kde se synapse nacházely na dendritických větvích, zjistili, že je významné: Optimální frekvence pro vyvolání synaptického učení se změnila v závislosti na tom, kde se synapse nacházela. Čím dále byla synapse od těla buněk neuronu, tím vyšší byla její optimální frekvence.
"Neuvěřitelně, pokud jde o učení, neuron se chová jako obří anténa s různými větvemi dendritů naladěných na různé frekvence pro maximální učení," řekl Mehta.
Vědci zjistili, že nejen každá synapse má preferovanou frekvenci pro dosažení optimálního učení, ale pro nejlepší efekt musí být frekvence perfektně rytmická - načasovaná v přesných intervalech. I při optimální frekvenci, pokud byl rytmus odhoden, bylo synaptické učení podstatně sníženo.
Jejich výzkum také ukázal, že jakmile se synapse naučí, její optimální frekvence se změní. Jinými slovy, pokud by optimální frekvence pro naivní synapse - ta, která se zatím nic nenaučila - byla, řekněme, 30 hrotů za sekundu, po učení by se stejná synapse optimálně naučila s nižší frekvencí, řekněme 24 hrotů za sekundu . Samotné učení tedy mění optimální frekvenci synapse.
Tento proces „odladění“ vyvolaný učením má důležité důsledky pro léčbu poruch souvisejících se zapomínáním, jako je posttraumatická stresová porucha, uvedli vědci.
Ačkoli je zapotřebí mnohem více výzkumu, zjištění zvyšují možnost, že by bylo možné vyvinout léky k „přeladění“ mozkových rytmů lidí s poruchami učení nebo paměti, nebo že by se mnohem více z nás mohlo stát Einsteinem nebo Mozartem, pokud by byl dodán optimální mozkový rytmus ke každé synapse.
"Už víme, že existují léky a elektrické podněty, které mohou změnit mozkové rytmy," řekla Mehta. "Naše zjištění naznačují, že můžeme tyto nástroje použít k dodání optimálního mozkového rytmu do cílených spojení, abychom zlepšili učení."
Zdroj: UCLA
