Предложено новое объяснение процессов, лежащих в основе рабочей памяти

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 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).

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». 

НИУ ВШЭ

300 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше