Jak mózg przechowuje sekwencję zdarzeń w pamięci? Naukowcy z Uniwersyteckiego Szpitala w Bonn (UKB), Uniwersytetu w Bonn, Uniwersyteckiego Szpitala w Tybindze oraz Uniwersytetu w Tybindze postanowili odpowiedzieć na to pytanie. Dzięki unikalnej technice pomiarowej wykorzystującej wszczepione elektrody w ludzkim mózgu, po raz pierwszy przetestowali powszechnie akceptowaną teorię dotyczącą procesów pamięciowych. Odpowiedź neuronów nie była zgodna z dotychczasowymi założeniami, ale można ją było wyjaśnić nowym modelem. Wyniki badania zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Neuroscience.
Jeśli pokazano by ci cztery obrazy w szybkim następstwie i poproszono o zapamiętanie ich kolejności, aby później je rozpoznać – jak mózg przechowuje tę sekwencję w pamięci? Jedna z popularnych teorii w neuronauce zakładała, że neurony w mózgu wyładowują się kolejno, zgodnie z kolejnością prezentowanych obrazów.
Zespół badawczy kierowany przez prof. Floriana Mormanna z Wydziału Epileptologii UKB, który jest również członkiem interdyscyplinarnej jednostki badawczej “Life & Health” na Uniwersytecie w Bonn, postanowił przetestować tę teorię, wykorzystując unikalne aspekty leczenia padaczki w UKB. Pacjenci cierpiący na padaczkę lekooporną mają wszczepiane elektrody do mózgu w celu precyzyjnego określenia źródła napadów padaczkowych, co zwiększa skuteczność leczenia chirurgicznego. Te same elektrody umożliwiają także rejestrowanie aktywności pojedynczych komórek mózgowych.
– Mamy ogromne szczęście, że możemy korzystać z tak rzadkich i precyzyjnych danych dotyczących aktywności pojedynczych neuronów. Tego rodzaju pomiary nie są możliwe w innych eksperymentach, co dotychczas uniemożliwiało zweryfikowanie teorii – mówi prof. Mormann, ostatni autor badania oraz kierownik Laboratorium Neurofizjologii Poznawczej i Klinicznej.
Pomiar aktywności neuronów u pacjentów z padaczką
W badaniu wzięli udział pacjenci z padaczką, którzy rozwiązywali zadania pamięciowe podczas rejestracji aktywności neuronów. Podczas eksperymentu mieli zapamiętać i rozpoznać kolejność obrazów prezentowanych na ekranie.
Analiza wyników z wykorzystaniem sztucznej inteligencji
Wbrew wcześniejszym założeniom dokładna sekwencja odpowiedzi neuronów nie pokrywała się z kolejnością prezentowanych zdarzeń.
– Początkowo byliśmy zaskoczeni wynikami, ponieważ nasze dane podważały wieloletnią i powszechnie uznawaną teorię dotyczącą sposobu, w jaki mózg zapamiętuje kolejność zdarzeń – mówi dr Stefanie Liebe, pierwsza autorka badania i była asystentka naukowa prof. Mormanna. Obecnie pracuje jako naukowiec i lekarz rezydent w Klinice Neurologii ze specjalizacją w epileptologii w Uniwersyteckim Szpitalu w Tybindze.
Aby dokładniej zbadać ten mechanizm, naukowcy nawiązali współpracę z Matthijsem Palsem i Jakobem Macke z Centrum Doskonałości “Uczenie Maszynowe: Nowe Perspektywy dla Nauki” na Uniwersytecie w Tybindze. Z pomocą metod sztucznej inteligencji (AI) opracowali sieć neuronową, która miała wykonać te same zadania pamięciowe, co uczestnicy badania.
– Co ciekawe, aby poprawnie wykonać zadanie, model komputerowy wykazał wzorce aktywności podobne do tych, które zarejestrowaliśmy w mózgu – wyjaśnia dr Liebe.
Symulacje modelu pozwoliły również odkryć alternatywny mechanizm zapamiętywania sekwencji, który wynika z dynamicznej interakcji pomiędzy czasem prezentacji obrazów, oscylacjami mózgowymi oraz sygnałami generowanymi przez pojedyncze komórki.
– Dzięki modelowi obliczeniowemu mogliśmy generować i testować nowe hipotezy, co doprowadziło nas do nowego zrozumienia organizacji pamięci w mózgu – mówi prof. Macke. – Nasze badanie pokazuje także ogromny potencjał połączenia nagrań neuronalnych z metodami AI w celu badania złożonych funkcji mózgu u ludzi.
Źródło: Nature Neuroscience
