• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Ученые предложили новое объяснение процессов, лежащих в основе рабочей памяти

Ученые предложили новое объяснение процессов, лежащих в основе рабочей памяти

© iStock

Сотрудники Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ построили численную модель рабочей памяти и показали стабилизирующую роль гамма-ритма, а также важность быстрого взаимодействия между компонентами модели. Полученные результаты могут стать частью теоретического базиса для экспериментов по улучшению функций рабочей памяти при помощи неинвазивной стимуляции мозга. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Neural Circuits.

Память человека устроена сложным образом и позволяет мозгу хранить информацию разное количество времени в зависимости от того, насколько долго необходимо обращаться к воспоминаниям. Для того чтобы действовать на основании информации, которая недоступна прямо сейчас органам восприятия, мозг человека использует рабочую (кратковременную) память. Она необходима нам для того, чтобы рассуждать и размышлять, для осознания сложной информации, а также для принятия решений.

Мозг человека постоянно электрически активен. Нейроны — клетки головного мозга, которые обмениваются друг с другом информацией с помощью коротких электрических импульсов. Во время удержания информации в рабочей памяти нейроны префронтальной коры входят в активное состояние с повышенной частотой порождения импульсов. Считается, что, помимо активности отдельных нейронов, для рабочей памяти также важна коллективная ритмическая активность нейронных сетей мозга в различных частотных диапазонах.

Среди видов ритмической активности мозга, наблюдаемых при использовании рабочей памяти, особый интерес представляют импульсы в гамма-диапазоне. Гамма-ритмом называются электрические колебания в мозге человека с частотами от 30 до 170 герц. Гамма-активность указывает на «включение» сетей нейронов и совпадает с моментами повышения частоты порождения импульсов этими сетями. В период удержания информации в рабочей памяти, когда сам стимул уже отсутствует, но информация о нем необходима для последующего решения, наблюдается повышенная интенсивность гамма-колебаний по сравнению с фоновым состоянием, не требующим удержания информации.

Сегодня существует множество численных моделей рабочей памяти, в основе большинства из которых лежат нейронные сети с несколькими стабильными состояниями. В самом простом случае у системы существует два устойчивых состояния: фоновое — с низкой частотой возникновения импульсов, соответствующее отсутствию информации в рабочей памяти, и активное — с высокой частотой порождения импульсов, соответствующее удержанию информации. Переход от фонового состояния к активному происходит под действием короткого внешнего импульса. Именно в этот момент предъявляется стимул, который необходимо будет удерживать. Современные данные показывают, что активное состояние стабильно лишь в течение небольшого временного интервала (это явление называют метастабильностью).

Предложенная модель рабочей памяти. Кружками представлены популяции нейронов, линии между ними обозначают симметричные возбуждающие связи. Красные популяции получают на вход общий шумовой сигнал, серые — независимые шумовые сигналы. Популяции сгруппированы в два кластера, получающих на вход гамма-ритм в одной и той же фазе или в противофазе. Связи внутри кластеров — быстрые, связи между кластерами могут быть быстрыми или медленными. Стимул для запоминания подается на вход всех популяций.

В своей статье авторы рассмотрели модель рабочей памяти, содержащую набор популяций нейронов, связанных друг с другом возбуждающими связями. В момент предъявления стимула часть нейронных популяций префронтальной коры считывают сигнал и объединяются в единую сеть. Нейроны разряжаются случайным образом, поэтому каждый нейрон в связанной сети фактически получает на вход некое подобие шума, который складывается из сигналов от всех элементов. Ученые смоделировали такое взаимодействие в виде общего случайного сигнала, подаваемого на вход части популяций. Стабильность удержания стимула в рабочей памяти оценивалась как среднее время, за которое популяция возвращалась в фоновое состояние после предъявления стимула.

Авторы показали, что информация о стимуле удерживается более устойчиво, если популяции нейронов получают на вход одинаковый шумовой сигнал, а не разные независимые сигналы. Также было обнаружено, что подача на вход гамма-ритма обеспечивала стабилизацию рабочей памяти, и усиливала различие между двумя группами популяций. Это повышало «четкость» удерживаемой в памяти информации.

Сегодня теоретическое понимание значения ритмов мозга для рабочей памяти отстает от накопленного экспериментального материала. Опубликованное сотрудниками НИУ ВШЭ исследование вносит дополнительный вклад в развитие теории контроля процессов, лежащих в основе рабочей памяти.

«Наша работа продолжает серию теоретических исследований связи колебательных процессов с рабочей памятью и расширяет имеющееся понимание этой связи. Например, классические работы в данной области указывают на дестабилизирующую роль внешних сигналов и важность медленного взаимодействия между нейронами для поддержания рабочей памяти, — комментирует младший научный сотрудник Института когнитивных нейронаук Никита Новиков. — Напротив, в своей работе мы продемонстрировали стабилизирующую роль внешнего сигнала и важность обеспечивающего их быстрого взаимодействия. В целом, полученные результаты могут стать частью теоретического базиса для экспериментов по улучшению функций рабочей памяти при помощи неинвазивной периодической стимуляции мозга».

Вам также может быть интересно:

Ученые описали возможную причину зеленого свечения в небе

Группа российских ученых из НИУ ВШЭ, ИКИ РАН, ИЗМИРАН описала развитие в пылевой плазме ионосферы модуляционной неустойчивости электромагнитных волн, которая возникает при больших интенсивностях электромагнитного излучения. Исследователи учли неупругие столкновения частиц плазмы ионосферы, а также сформулировали новые задачи и приложения, которые необходимо рассмотреть в будущем. Результаты исследования  опубликованы  в журнале Physics of Plasmas.

Центр языка и мозга НИУ ВШЭ стал мировым лидером за 10 лет

Как менее чем за одно десятилетие развить маленькую исследовательскую группу в крупный научный центр, известный в России и за рубежом? Статья об истории Центра языка и мозга НИУ ВШЭ, удачах и сложностях в первые годы его развития опубликована в специальном выпуске журнала Frontiers in Psychology, посвященном трансляции нейронаучного знания в общество.

Ученые научились добывать «идеальные» 3D-клеточные культуры для исследования рака

Группа ученых из Венгрии, России и Финляндии разработала систему SpheroidPicker, которая умеет выделять раковые клетки определенной формы и размера (сфероиды). Этот первый в своем роде прибор, работающий на основе искусственного интеллекта, позволит стандартизировать работу с образцами опухолей. Результаты исследования опубликованы в журнале  Scientific Reports. В работе над проектом принимал участие младший научный сотрудник Научно-учебной лаборатории искусственного интеллекта для вычислительной биологии НИУ ВШЭ Никита Мошков.

ВШЭ приглашает ведущих исследователей принять участие в конкурсе экспериментальных лабораторий

Высшая школа экономики объявляет открытый конкурс проектов на создание экспериментальных научно-исследовательских лабораторий по естественно-научным направлениям. В конкурсе смогут принять участие проекты по исследованиям в областях биофотоники и старения (биология, физиология, биомедицина, биостатистика, биоинформатика).

Ученые впервые сравнили порождение и понимание речи у русскоязычных детей с аутизмом

Исследователи из  Центра языка и мозга  НИУ ВШЭ совместно с российскими и американскими коллегами впервые сравнили между собой порождение и понимание речи на разных лингвистических уровнях у одной и той же группы детей с аутизмом. Это позволило им опровергнуть гипотезу о том, что дети с аутизмом понимают речь хуже, чем говорят. Исследование опубликовано в журнале  Research in Developmental Disabilities

Ученые НИУ ВШЭ: только госслужащие-женщины смогут побороть коррупцию в России

Чиновницы в два раза чаще считают взятки проблемой. Реже рискуют своей должностью и участвуют в махинациях. Таковы результаты исследования, проведенного учеными из НИУ ВШЭ и опубликованного в Journal of Economic Behavior and Organization.

Российские ученые выявили особенности иммунного ответа к штаммам SARS-CoV-2

Исследователи ВШЭ оценили эффективность T-клеточного иммунного ответа против 11 штаммов SARS-CoV-2 и создали портал, который позволяет отслеживать влияние мутаций коронавируса на способность главного комплекса гистосовместимости человека (HLA) взаимодействовать с пептидами вируса. Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

Готовность наказывать эгоистов объяснили силой функциональных связей мозга

Чем сильнее сила функциональных связей мозга, тем меньше человек склонен наказывать других за несправедливость. Такой вывод сделали ученые из НИУ ВШЭ, проведя нейроимиджинговый эксперимент. Статья 'Wired to punish? Electroencephalographic study of the resting-state neuronal oscillations underlying third-party punishment' опубликована в журнале Neuroscience.

Удивительные лантаноиды: ученые провели глобальную систематизацию свойств редкоземельных металлов

Доцент факультета химии ВШЭ Юрий Белоусов совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, ФИАН им. П.Н. Лебедева и итальянскими учеными из университета Камерино опубликовали обзор, в котором сравнили и изучили более 200 азолкарбоксилатов лантанидов. Ученые впервые систематизировали разрозненную в литературе информацию в единый источник, который будет полезен для технологических разработок в области электроники, металлургии, радиомедицины, химической и ядерной промышленности. Обзор опубликован в журнале Coordination Chemistry Reviews.

Исследователи ВШЭ нашли последовательность нуклеотидов, отвечающую за эффективную борьбу с патологиями

Сотрудники Mеждународной лаборатории микрофизиологических систем ВШЭ обнаружили последовательность нуклеотидов, характерную для дефектных микроРНК. Это открытие позволит предсказывать ошибки в поведении микроРНК и создавать на их основе лекарственные препараты более эффективно распознающие свои мишени, в том числе, вирусы. Результаты исследования опубликованы в журнале RNA Biology.