Що собою являє техніка фіксації активності окремого нейрону людини?

Техніка фіксації активності окремого нейрону людини являє собою інвазивний метод запису активності мозку. Ця техніка має ідеальну просторову та часову роздільну здатність, і хоча деякі обмеження слід брати до уваги, вона надає прямі докази того, як людський мозок працює на клітинному рівні, і висновки, які неможливо було б отримати інакше. Прикладом можуть служити дослідження, які привели до відкриття концептуальних клітин, тобто клітин, які реагують на концепт незалежно від способу його представлення (слухові сигнали чи різні образи). Застосовуючи дану техніку дослідники можуть використовувати лише словесні інструкції та більш складні завдання, ніж це можливо в дослідженнях на тваринах, які часто вимагають довгих днів навчання та використання простих завдань. Також даний метод дозволяє подолати обмеження неінвазивних методів дослідження мозку людини.

Як працює техніка фіксації активності окремого нейрону людини?

Використовуючи електроди з високим імпедансом*, можна реєструвати позаклітинні потенціали дії нейронів у безпосередній близькості від електрода. Далі, використовуючи процедуру спайкового сортування, можна виділити активність ймовірних нейронів у людському мозку.

*Імпеданс — це протидія потоку змінного струму, подібного до того, що створюється біоелектричною нейронною активністю мозку.

Історія виникнення методу, бабусини клітини та до чого тут актори серіалу «Друзі»

Можливість записувати окремі нейрони в організмі людини походить від медичних процедур, у яких імплантація електрода в мозок людини є необхідною частиною лікування. В даний час більша частина досліджень у цій галузі походить від інвазивного моніторингу епілепсії за допомогою так званих електродів «Бенке-Фріда».

Теорії, які стверджують, що відносно невеликі групи нейронів або, у крайніх випадках, навіть окремі нейрони кодують певні сприйняття в мозку, сягають 1960-х років, коли двоє нейробіологів, Konorski та Lettvin, майже одночасно висунули дві досить схожі ідеї. Lettvin припустив, що існують клітини, які реагують на зображення когось знайомого, наприклад, на зображення бабусі, звідси й назва «бабусина клітина». Konorski, з іншого боку, припустив, що на вищих рівнях коркової ієрархії існують клітини (або клітинні збірки), які реагують на складні подразники та відповідають за кодування категорій об’єктів. Він назвав їх «гностичними» клітинами. Обидві гіпотези було важко перевірити експериментально, поки не було виявлено рідкісні, специфічні відповіді нейронів у медіальній скроневій частці (MTL).

Завдяки записам окремого нейрона людини, у хворих на епілепсію, яким імплантували глибинні електроди, було виявлено клітини, які реагували на певні концепти. Один із перших таких нейронів був названий нейроном Дженніфер Еністон, оскільки він вибірково реагував на різні фотографії актриси Дженніфер Еністон. Точніше, він не реагував, коли актриса була зображена поруч зі своїм колишнім чоловіком Бредом Піттом, але реагував на образ акторки з «Друзів» Лізи Кудроу, хоча Еністон на картині не було. Це дозволило зробити висновок, що саме цей нейрон реагує не на образ самої актриси, а, ймовірно, на концепт серіалу «Друзі»: оскільки ці два концепти (дві актриси, які знімаються в одному серіалі) пов’язані семантично, вони ймовірно, активували той самий нейрон. Крім того, як продемонстрували De Falco (2016) та його колеги, такі асоціації покращують продуктивність завдання, тому що вони пов’язані з нейронними механізмами довготривалої пам’яті. Це відкриття стало кроком до розуміння нейронних механізмів абстрактного мислення, яке є унікальним для людини. Подібні результати були отримані в дослідженні, де клітина, яка реагувала на Люка Скайвокера, також реагувала на зображення Йоди, іншого персонажа «Зоряних воєн».

Як простіше щось згадати та дослідження з Ейфелевою вежею

Наш мозок формує спогади, створюючи асоціації. Ось чому нам краще запам’ятовуються речі, пов’язані з місцями, які ми знаємо, і людьми, яких ми любимо. Загальновідомий факт, що легше пригадувати речі в тому місці чи обставинах, де ви про них дізналися. Один стимул може викликати інший, якщо вони були закодовані разом, схожі один на одного або наш мозок створив асоціацію/зв’язок між ними. Цей добре спостережуваний ефект був нещодавно підтверджений дослідженням, у якому використовувалися записи окремого нейрона людини.

Коли Ison і його колеги знайшли концептуальні клітини, які реагували на певні подразники, вони представили зображення у фотошопі, які містили ці подразники, разом із новими. Наприклад, якщо нейрон спочатку реагував на Дженніфер Еністон, а не на Ейфелеву вежу, фото актриси було оброблено в фотошопі, щоб показати, що вона стоїть біля Ейфелевої вежі. Виявилося, що після кількох спроб клітина, яка спочатку реагувала на фотографію Дженніфер Еністон, також реагувала і на Ейфелеву вежу.

Очевидно, зв’язок було встановлено, і нейрон почав реагувати на обидва зображення. Це відкриття може означати, що нейрони в MTL відіграють важливу роль у класифікації нової інформації та її інтеграції з уже існуючими концепціями та спогадами. Можливо, концептуальні клітини не є одиницями, які формують сліди пам’яті, але є вирішальними для процесів кодування інформації та консолідації.

Ця точка зору узгоджується з дослідженнями пацієнтів з ураженнями MTL та їх здатністю пам’ятати старі спогади та труднощами у формуванні нових. Quian Quiroga (2012), однак, йде далі зі своїм тлумаченням і стверджує, що категоризація може відбуватися в інших областях мозку, а концептуальні клітини спрацьовують, коли відбувається свідоме сприйняття стимулу. Згідно з цією теорією, концептуальна клітина привносить стимул в усвідомлення, що дозволяє створювати асоціації та формувати нові спогади в потоці свідомості.

Ще трохи про дослідження пам‘яті

Оскільки концептуальні клітини були виявлені в MTL, їх також розглядали щодо того, яку роль вони можуть відігравати в процесах пам’яті. Дослідження з використанням записів окремого нейрона людини дали зрозуміти роль MTL у довготривалій пам’яті людини, показавши участь концептуальних клітин у створенні та кодуванні асоціацій, а також виявивши нейрони, які відрізняють нове від вже знайомого. Наприклад, була виявлена популяція нейронів у MTL, які реагували на новизну чи звичність стимулу, незалежно від категорії чи візуальних особливостей представленого об’єкта. Розрізнення знайомої та незнайомої інформації має вирішальне значення для пам’яті. Іншими словами, ці нейрони ніби «вказують мозку», які стимули є новими та їх потрібно запам’ятати.

Дослідження з використанням цієї техніки запису вже показали окремі механізми в MTL, які пов‘язані з функціонуванням пам‘яті: концептуальні клітини, які беруть участь у когнітивних процесах та є основою для асоціативної пам’яті, а також специфічні клітини, які реагують на нові та знайомі стимули незалежно від характеристик стимулів. Аналіз і порівняння активності цих клітин у хворих на скроневу епілепсію, або епілепсію локалізовану в інших частинах мозку, може надати нам прямі докази того, який механізм функціонування пам’яті насправді порушено: пригадування через асоціації чи розпізнавання на основі того, що є знайомим, чи, можливо, обидва.

Обмеження даного методу полягає у тому, що більшість висновків було зроблено на основі досліджень мозку у патології. Проте автори статті Zuzanna Roma Kubska and Jan Kamiński вирішили сприймати дослідження мозку у патології не як обмеження, а як можливість отримати знання про механізми патології та мати можливість розробити більш точні методи лікування або навіть знайти ранні біомаркери патологічної активності.

Значення техніки фіксації активності окремого нейрону людини

Дослідження на людях із використанням записів окремого нейрона людини дали уявлення про наші когнітивні процеси, такі як пам’ять, і те, як мозок людини обробляє інформацію. Найважливішим напрямком когнітивних досліджень із використанням записів окремого нейрона людини є сфери, де людський розум відрізняється від розуму інших ссавців, які вивчає нейронаука, наприклад, теорія розуму, мова чи робоча пам’ять.

Огляд зроблено за дослідженням Zuzanna Roma Kubska and Jan Kamiński (2021). How Human Single-Neuron Recordings Can Help Us Understand Cognition: Insights from Memory Studies

Від одного нейрона до розуміння когнітивних процесів

You May Also Like

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *