Forskare har avslöjat de viktigaste hjärnmekanismerna för att organisera minnen i tid.
Den nya studien beskriver upptäckten av de grundläggande mekanismerna genom vilka hippocampusregionen i hjärnan organiserar minnen i sekvenser och hur detta kan användas för att planera framtida beteende.
Fyndet kan vara ett kritiskt tidigt steg mot att förstå minnesfel vid kognitiva störningar som Alzheimers sjukdom och andra former av demens.
Genom att kombinera elektrofysiologiska inspelningstekniker hos gnagare med en statistisk maskininlärningsanalys av enorma mängder data, upptäckte forskarna bevis som tyder på att hippocampus nätverk kodar och bevarar utvecklingen av erfarenheter för att underlätta beslutsfattande.
"Vår hjärna håller ett ganska bra register över när specifika upplevelser eller händelser inträffar. Den här förmågan hjälper oss att fungera i vårt dagliga liv, men innan den här studien hade vi ingen klar uppfattning om de neuronala mekanismerna bakom dessa processer”, säger motsvarande författare Norbert Fortin, docent i neurobiologi och beteende vid University of California, Irvine.
"Där det hänger ihop med alla är att den här typen av minne är starkt nedsatt i en mängd olika neurologiska störningar eller helt enkelt med åldrande, så vi behöver verkligen veta hur denna hjärnfunktion fungerar."
Projektet, som tog mer än tre år att slutföra, involverade experimentella faser och dataanalysfaser. Forskarna övervakade avfyrningen av nervceller i råttors hjärnor när de genomgick en rad luktidentifieringstest. Genom att presentera fem olika luktar i olika sekvenser kunde forskarna mäta djurens minne av rätt sekvens och upptäcka hur deras hjärnor fångade dessa sekventiella samband.
"Den analogi jag skulle tänka på är datoranvändning", säger Fortin. ”Om jag skulle sticka elektroder i din hjärna—det kan vi inte; det är därför vi använder råttor – jag kunde se vilka celler som skjuter och vilka som inte skjuter vid varje givet ögonblick. Det ger oss en viss inblick i hur hjärnan representerar och beräknar information. När vi registrerar aktivitetsmönster i en struktur är det som att vi ser nollor och ettor i en dator.”
Erhållna i millisekunders intervall över flera minuter ger neuronaktivitet och inaktivitetsmätningar en dynamisk bild av hjärnans funktion. Fortin säger att han och hans kollegor på något sätt kunde "läsa tankarna" hos sina undersåtar genom att titta på "kodningen" av cellerna - vilka som sköt och vilka inte - i snabb följd.
Rör sig snabbt
"När du tänker på något går det snabbt," säger han. "Du har inte fastnat i det minnet länge. Just nu är det representerat, men vi kan se hur det förändras väldigt snabbt.”
Fortin visste tidigt att avläsningarna av hippocampus aktivitet skulle resultera i enorma mängder rådata. Från början av projektet tog han del av statistiker i Donald Bren School of Information & Computer Sciences.
"De neurovetenskapliga frågorna vi hade då i mitt labb var alldeles för avancerade för den statistiska kunskap vi hade. Det var därför vi behövde involvera partners med expertis inom datavetenskap”, säger Fortin.
"Dessa framväxande neurovetenskapliga studier förlitar sig på datavetenskapliga metoder på grund av komplexiteten i deras data", säger senior medförfattare Babak Shahbaba, professor i statistik. "Hjärnaktiviteter registreras i millisekundsskala, och dessa experiment pågår i mer än en timme, så du kan föreställa dig hur snabbt mängden data växer. Det kommer till en punkt att neuroforskare behöver mer avancerade tekniker för att åstadkomma vad de hade föreställt sig men inte kunde implementera."
Han noterar att när neuroner kodar information som minnen, kan forskare få en glimt av den processen genom att undersöka mönstret av spikaktivitet över alla inspelade neuroner, gemensamt känd som en ensemble.
"Vi fann att vi kunde behandla dessa neurala mönster som bilder, och detta låste upp vår förmåga att tillämpa djupa maskininlärningsmetoder", säger Shahbaba. "Vi analyserade data med ett konvolutionellt neuralt nätverk, vilket är en metod som ofta används i bildbehandlingsapplikationer som ansiktsigenkänning."
På så sätt kunde forskarna avkoda avfyrningen av neuroner för att hämta information.
"Vi vet hur signaturen för lukt B ser ut, precis som vi vet de för A, C och D," säger Fortin. "På grund av det kan du se när dessa signaturer dyker upp igen vid en annan tidpunkt, till exempel när våra försökspersoner förutser något som ännu inte har hänt. Vi ser dessa signaturer spelas upp snabbt när de tänker på framtiden."
Shahbaba säger att de verktyg och metoder som utvecklats under det här projektet kan tillämpas på ett brett spektrum av problem, och Fortin kan utvidga sin undersökningslinje till andra hjärnregioner.
Om författarna
Arbetet visas i Nature Communications.
Finansieringen kom från National Institutes of Health, National Science Foundation och Whitehall Foundation.
Källa: UC Irvine
Böcker om att förbättra prestanda från Amazons bästsäljarlista
"Peak: Secrets from the New Science of Expertise"
av Anders Ericsson och Robert Pool
I den här boken bygger författarna på sin forskning inom expertområdet för att ge insikter om hur vem som helst kan förbättra sin prestation inom alla områden i livet. Boken erbjuder praktiska strategier för att utveckla färdigheter och uppnå behärskning, med fokus på medveten övning och feedback.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Atomic Habits: Ett enkelt och beprövat sätt att bygga goda vanor och bryta dåliga"
av James Clear
Den här boken erbjuder praktiska strategier för att bygga upp goda vanor och bryta dåliga, med fokus på små förändringar som kan leda till stora resultat. Boken bygger på vetenskaplig forskning och verkliga exempel för att ge praktiska råd till alla som vill förbättra sina vanor och nå framgång.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Tänkesätt: Framgångens nya psykologi"
av Carol S. Dweck
I den här boken utforskar Carol Dweck begreppet tankesätt och hur det kan påverka vår prestation och framgång i livet. Boken ger insikter i skillnaden mellan ett fast tänkesätt och ett tillväxttänke, och ger praktiska strategier för att utveckla ett tillväxttänk och nå större framgång.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Vanans kraft: varför vi gör vad vi gör i livet och affären"
av Charles Duhigg
I den här boken utforskar Charles Duhigg vetenskapen bakom vanebildning och hur den kan användas för att förbättra våra prestationer på alla områden av livet. Boken erbjuder praktiska strategier för att utveckla goda vanor, bryta dåliga och skapa bestående förändringar.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Smarter Faster Better: The Secrets of Being Productive in Life and Business"
av Charles Duhigg
I den här boken utforskar Charles Duhigg vetenskapen om produktivitet och hur den kan användas för att förbättra våra prestationer på alla områden i livet. Boken bygger på verkliga exempel och forskning för att ge praktiska råd för att uppnå större produktivitet och framgång.
