В глазах мышей увидели механизм сортировки воспоминаний во сне

Расхожее выражение «глаза — зеркало души» получило в некотором роде научное подтверждение. Нейробиологи из Корнеллского университета в США обнаружили, что сортировка воспоминаний во сне отражается на размере зрачка.

Организация данных в памяти во время сна хорошо известна, однако нейронные механизмы в ее основе остаются неясными. Для их изучения проводятся исследования на мышах, но обобщение полученных результатов на людей затруднено. Считается, что у грызунов очень простая двухэтапная структура сна — сон с быстрым движением глаз (БДГ), когда происходят сновидения, и медленный сон без БДГ; у человека медленный сон более сложен, с четырьмя стадиями, в самой глубокой из которых мозг просеивает и сортирует воспоминания.

В новом исследовании, статья о котором недавно увидела свет в Nature, мышам вживили в мозг электроды, повесили на них камеры для отслеживания глаз, и обучали различным задачам за вознаграждение — вроде поиска печенья в лабиринте.

Во время сна после получения новой задачи камеры зафиксировали изменения размера зрачка одновременно со всплесками мозговой активности.

«Сон без БДГ, когда происходит фактическая консолидация памяти — это очень, очень короткие моменты, которые не могут обнаружить люди, например, 100 миллисекунд. Как мозг распределяет эти молниеносные просмотры памяти в течение всей ночи? И как разделяются новые поступающие знания, чтобы они не мешали старой информации, которая уже есть у нас в голове?» — задается вопросом доцент Азахара Олива.

Записи показали, что структура фаз сна у мышей более разнообразна и сильнее похожа на стадии сна у людей, чем считалось ранее. Экспериментаторы будили подопытных грызунов в разные моменты, чтобы проанализировать происходящие в их головах процессы.

Когда мышь входит в фазу медленного сна, ее зрачок сужается, и именно тогда недавно выученные задачи, то есть  новые воспоминания, реактивируются и консолидируются, в то время как предыдущие знания — нет. И наоборот — старые воспоминания воспроизводятся и интегрируются, когда зрачок расширяется.

«Новое обучение, старое знание, новое обучение, старое знание — они медленно сменяются на протяжении всего сна. Мы предполагаем, что мозг пользуется промежуточной временной шкалой, которая отделяет новое обучение от старого знания», — объясняет Олива.

По ее мнению, ввиду неинвазивного характера использованной методики отслеживания состояния глаз ее можно применить и к людям — в частности, тем, кто страдает дефицитом памяти, связанным с психическими заболеваниями.

Результаты исследования выходят за рамки нейробиологии и медицины в целом, и могут быть полезны в сфере машинного обучения, которое до сих пор крайне неэффективно в сравнении с работой мозга.

«Мозг может запомнить множество вещей с относительно небольшим количеством нейронов, и как именно это происходит — непонятно. Как он справляется с таким огромным объемом памяти и когнитивных задач при столь ограниченных ресурсах по сравнению с ChatGPT, который потребляет в сотни тысяч раз больше энергии для выполнения любой задачи? Разделение двух ключевых функций памяти во времени лежит в основе огромных возможностей мозга для хранения удивительных объемов информации при сравнительно скромных ресурсах. Это открывает новые возможности для обучения искусственных нейронных сетей, чтобы они стали более эффективными — может быть, за счет работы, более похожей на то, как функционируют реальный живой мозг», — прокомментировал нейробиолог Антонио Фернандес-Руис.