Ученые из Соединенных Штатов определили, как нейронная сеть в мозге дрозофилы быстро переключается между отслеживанием текущего направления и его временным удержанием. Запах еды активирует взаимодействие двух групп клеток, за счет которого насекомое продолжает идти по выбранному курсу даже после исчезновения запаха. Как устроены нейронные «ворота», зачем памяти необходимы одновременно стабильность и гибкость и что эксперименты на мухах могут поведать о работе мозга — в материале «Известий».

Для чего мозгу нужна память на несколько секунд

Подтверждающий код требуется только до того момента, пока его не введут в соответствующее поле. Начало фразы необходимо удерживать в голове, чтобы осмыслить ее окончание. Направление движения порой нужно сохранять, когда ориентир на короткий срок пропадает. Во всех перечисленных ситуациях сведения остаются доступными для выполняемой задачи.

Эту функцию берет на себя рабочая память. Национальный институт психического здоровья США (NIMH) характеризует ее как активное сохранение и гибкое обновление сведений, связанных с целью или задачей. Ее объем ограничен, и она должна сопротивляться помехам.

Справка «Известий»

Кратковременная и рабочая память являются близкими, хотя и не полностью тождественными понятиями. Первая связана с временным хранением информации, вторая — с ее удержанием и применением в текущей активности. В новой работе исследователи рассматривали конкретную навигационную задачу: каким образом мозг мухи сохраняет направление, нужное для продолжения движения.

Тут появляется принципиальная сложность. Сигнал обязан быть довольно стабильным, чтобы не пропасть сразу после исчезновения внешнего стимула. Однако сеть должна также быстро изменять состояние, когда прежние сведения перестают быть нужными. Механизм, хорошо удерживающий сигнал, не обязательно способен вовремя прекратить его удержание.

Почему для исследований выбрали плодовых мушек

В человеческом мозге насчитываются десятки миллиардов нейронов, тогда как у плодовой мушки их меньше 200 тысяч. При этом у обеих нервных систем имеются общие принципы организации и передачи сигналов между клетками. Поэтому дрозофила оказывается удобной моделью для исследования отдельных механизмов мозговой деятельности.

Еще одно преимущество — подробная карта связей в мозге взрослой мухи. Ее называют коннектомом; она показывает, какие нейроны соединены друг с другом. Подобная схема дает возможность обнаруживать цепи, которые потенциально задействованы в конкретном поведении.

Однако одной анатомической схемы мало. Наличие связи между двумя клетками не говорит о том, что они постоянно взаимодействуют одним и тем же способом. Их функционирование способно изменяться под влиянием внешних сигналов и состояния организма.

По этой причине авторы работы сравнивали строение нейронной сети с клеточной активностью и поведением мух. Их интересовал переход конкретной цепи от восприятия текущих данных к их сохранению.

Каким образом запах запускал движение

В эксперименте мухам подавали запах яблочного уксуса. Насекомые начинали двигаться в сторону источника запаха и продолжали движение еще несколько секунд после того, как запах прекращался. Такое поведение позволяло отследить, как мозг удерживает навигационную цель при кратковременном исчезновении внешнего сигнала. Запах уже не поступает, однако выбранное направление еще сохраняется и оказывает влияние на перемещение.

Для наблюдения за мозговой активностью применялась установка, где муха могла передвигаться по маленькому шару, который поддерживался воздушной струей. Вращение шара позволяло следить за перемещениями насекомого. Кроме того, в установке регулировались подача запаха и направление воздушного потока.

Исследователи анализировали активность нервных клеток, фиксировали их электрические сигналы и применяли компьютерное моделирование. Совокупность этих методов позволила проверить, какие взаимодействия могут объяснить наблюдаемое поведение.

«Наше исследование показывает, как нейронная цепь формирует кратковременную память в ответ на запах, позволяя мухе запомнить направление и двигаться к его источнику», — заявила старший автор работы, доцент кафедры нейронаук медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета Кэтрин Нейгел.

Какие нейроны отвечали за сохранение направления

Ключевыми в исследовании стали две группы нейронов — PFG и hΔK. При направленном движении у них наблюдались похожие устойчивые паттерны активности, что свидетельствовало о совместной работе.

Эти клетки формируют сеть с обратными связями: сигналы способны проходить между группами нейронов и поддерживать активность внутри цепи. Благодаря такой организации информация может сохраняться некоторое время после исчезновения внешнего раздражителя.

Справка «Известий»

Такие цепи получили название аттракторных сетей. Аттрактор представляет собой устойчивое состояние, к которому приходит система. В рассматриваемом случае имеется в виду устойчивое распределение нейронной активности, связанное с выбранным направлением.

Но подобная устойчивость порождает и проблему. Если активность поддерживается сама по себе, требуется объяснить, как сеть быстро перестает удерживать прежний сигнал и начинает работать с новыми данными. Именно механизм переключения стал основным предметом изучения.

Что демонстрирует эксперимент и чего он не доказывает

Полученные результаты служат конкретным примером того, как сеть с обратными связями способна поддерживать временный сигнал и быстро переключаться между состояниями. Компьютерная модель воспроизводила основные особенности активности исследованных нейронов, а наблюдения за клетками согласовывались с предложенным механизмом.

Вместе с тем работа посвящена конкретной цепи в мозге дрозофилы и определенному поведению — навигации, запускаемой запахом. Из нее не следует, что все разновидности кратковременной памяти функционируют по единой схеме.

Временное сохранение направления у мухи также нельзя напрямую приравнять к запоминанию числового кода или к пониманию предложения человеком. Эти задачи относятся к разным условиям и нервным системам. Общим для них является более широкий вопрос: как удержать актуальные сведения, не утратив способность быстро их обновлять.

Авторов интересует, возможно ли существование похожего принципа в иных нейронных сетях. Однако для подобного вывода требуется отдельно изучить их устройство и работу. Нынешний результат в первую очередь уточняет механизм в исследованной цепи.