فعال‌سازی مجدد در هیپوکامپ می‌تواند از تثبیت نقشه‌های شناختی بلندمدت پشتیبانی کند

هیپوکامپ ناحیه ای از مغز است که نقش کلیدی در رمزگذاری خاطرات بلند مدت دارد. این ناحیه مغز علاوه بر کمک به شکل‌گیری خاطرات مرتبط با رویداد، از ایجاد نقشه‌های به اصطلاح شناختی پشتیبانی می‌کند. اینها نقشه های ذهنی جهان هستند که انسان ها را هنگام حرکت در محیط های شناخته شده راهنمایی می کنند. به عنوان مثال، به آنها نشان می دهد که چگونه از یک مکان به مکان دیگر بروند.

مطالعات علوم اعصاب گذشته نشان داده است که سلول‌های مکان هیپوکامپ، سلول‌های عصبی که به طور متوالی اطلاعات مربوط به فضاهای مجاور را کدگذاری می‌کنند، در حالی که انسان‌ها و حیوانات در حال کاوش در آن‌ها هستند، تمایل دارند که توالی‌های فعالیت یکسانی را پس از کاوش دوباره پخش کنند. این فرآیند جذاب شبیه روشی است که در آن انسان‌ها می‌توانند آهنگی را که روی نوار کاست قدیمی ضبط کرده‌اند، به عقب برگردانند و دوباره پخش کنند.

محققان مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا اخیراً مطالعه‌ای را انجام داده‌اند که الگوهای فعال‌سازی مجدد هیپوکامپ را با بررسی سلول‌های محل هیپوکامپ در مغز موش در حالی که موش‌ها وظایف یادگیری پاداش فضایی و متعاقباً در حال استراحت را انجام می‌دهند، انجام داده‌اند. مقاله آنها، منتشر شده در علوم اعصاب طبیعت، نشان می دهد که الگوهای فعال سازی مجدد در هیپوکامپ نقش مهمی در تثبیت نقشه های شناختی بی طرفانه در طول زمان دارند.

آندرس دی گروسمارک، محقق اصلی این مطالعه، به مدیکال گفت: «جالب است که برخلاف توالی‌های مکان مرتبط با اکتشاف، رویدادهای فعال‌سازی مجدد متوالی در هیپوکامپ در دوره‌های عدم فعالیت اتفاق می‌افتد و حتی در محیطی متفاوت از محیطی که دوباره پخش می‌شود، ادامه دارد. Xpress. آنها همچنین در مقیاس زمانی سریع‌تری نسبت به سکانس‌های مرتبط با اکتشاف رخ می‌دهند، به‌طور مثال، سکانسی که در طول کاوش ۱۰ ثانیه طول می‌کشد، تنها در نیم ثانیه قابل پخش است.»

این واقعیت که به نظر می‌رسد نورون‌های هیپوکامپ در یک سفر ذهنی مجازی شرکت می‌کنند، نشان می‌دهد که آنها ممکن است در واقع دنباله‌های فضایی را که سوژه‌ها در حین کاوش در محیط اطراف خود یاد گرفته‌اند، «تمرین» کنند. بنابراین دانشمندان علوم اعصاب این فرضیه را مطرح کرده اند که الگوهای فعال سازی مجدد از طریق فرآیندی به نام تثبیت حافظه به ماندگاری خاطرات جدید کمک می کند.

گروسمارک می‌گوید: «نکته مهم این است که همه نمایش‌های هیپوکامپ دائمی نیستند، در واقع حتی در همان محیط، برخی از نورون‌ها به طور پایدار برای فضا کد می‌کنند، در حالی که نورون‌های دیگر انتخاب فضایی خود را از روز به روز تغییر می‌دهند. “ما فرض کردیم که هر چه نورون های منفرد در پخش مجدد بیشتر شرکت کنند، بازنمایی آنها طولانی تر و پایدارتر می شود.”

گروسمارک و همکارانش برای آزمایش فرضیه خود باید بر یک سری محدودیت های فنی غلبه می کردند. به طور خاص، تا کنون، دانشمندان علوم اعصاب می‌توانستند بازپخش حافظه (یعنی الگوهای فعال‌سازی مجدد در هیپوکامپ) را با جزئیات مطالعه کنند یا تغییرات کلی هیپوکامپ را در طی چند روز بررسی کنند. برای بررسی اینکه آیا میزان بازپخشی که نورون‌های هیپوکامپ در آن تأثیر می‌گذارد بر پایداری بازنمایی‌های عصبی که ایجاد می‌کنند یا خیر، محققان مجبور شدند هر دو جنبه را به طور همزمان مطالعه کنند. بنابراین آنها از دو روش برای مطالعه حافظه بلند مدت در موش استفاده کردند، یعنی تصویربرداری کلسیم و الکتروفیزیولوژی.

گروسمارک گفت: «این به ما اجازه داد تا از توانایی الکتروفیزیولوژی برای مشاهده دینامیک مقیاس زمانی بسیار سریع، از جمله بازپخش، با توانایی دنبال کردن جمعیت‌های نورون‌ها در طی چند هفته مرتبط با تکنیک‌های تصویربرداری کلسیم، استفاده کنیم. در مطالعه خود، تصویربرداری کلسیم و الکتروفیزیولوژی را برای ردیابی شکل‌گیری و تثبیت خاطرات فضایی در جمعیت‌های بزرگی از نورون‌های هیپوکامپ در موش‌ها در یک دوره دو هفته‌ای ترکیب کردیم.

اولین روشی که محققان استفاده کردند، تصویربرداری از کلسیم است، یک تکنیک میکروسکوپی که به دانشمندان اجازه می دهد تا فعالیت عصبی را به صورت نوری تشخیص دهند. تصویربرداری کلسیم از تکنیک‌های ویروسی استفاده می‌کند تا نورون‌ها را وادار می‌کند تا فلوروفورهای حساس به کلسیم را بیان کنند، به طوری که وقتی فعال می‌شوند برای مدت کوتاهی تغییر رنگ می‌دهند.

گروسمارک می‌گوید: «با استفاده از اپتیک‌ها و لیزرهای زیبا، این امکان را به ما می‌دهد تا فعالیت جمعیت‌های بزرگی از نورون‌ها را در موش‌های بیدار ردیابی کنیم. یکی از مزایای کلیدی تصویربرداری از کلسیم این است که از آنجایی که شما از نظر فیزیکی به نورون ها نگاه می کنید، می توانید آنها را در مدت زمان طولانی ردیابی کنید.

تکنیک دوم که توسط گروسمارک و همکارانش به کار گرفته شد، به نام الکتروفیزیولوژی عصبی، مستلزم استفاده از سیم‌های بسیار کوچک برای ثبت فعالیت الکتریکی در داخل مغز است. اندازه‌گیری این فعالیت الکتریکی به دانشمندان علوم اعصاب اجازه می‌دهد تا تغییراتی را که در نواحی خاص مغز یا در کل مغز اتفاق می‌افتد، نظارت کنند.

گروسمارک توضیح داد: «این تکنیک دو مزیت کلیدی دارد. اولاً، سیگنال‌های الکتریکی را خیلی سریع ثبت می‌کند و به ما امکان می‌دهد تغییرات بسیار سریع یا بسیار کوتاه در فعالیت‌های مغز را مشاهده کنیم. همانطور که آنلاین و آفلاین بیان می کند.”

فعالیت مغز را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: فعالیت آنلاین و آفلاین. حالت‌های آنلاین زمانی اتفاق می‌افتند که انسان‌ها یا حیوانات به طور فعال با دنیای اطراف خود درگیر می‌شوند، به عنوان مثال، در حالی که در حال کاوش در محیط اطراف خود یا تکمیل یک کار هستند. از سوی دیگر، حالت های آفلاین دوره هایی هستند که در آن انسان ها و حیوانات از جهان جدا می شوند.

گروسمارک می‌گوید: «یک مثال از حالت آفلاین خواب است؛ با این حال، حالت‌های آفلاینی که ما در مطالعه خود بررسی کردیم دوره‌های «استراحت آرام» خود به خود رخ می‌دادند، زمانی که موش‌ها بیدار بودند اما آرام نشسته بودند. فراتر از تفاوت‌های رفتاری بیرونی، حالت‌های آنلاین و آفلاین نیز می‌توانند به آسانی با الگوهای منحصربه‌فرد نوسانات فعالیت مغز مشاهده شده در طول این حالت‌ها متمایز شوند. تصور می‌شود که این رژیم‌های مختلف مغز از عملکردهای متفاوتی پشتیبانی می‌کنند.

از آنجایی که یادگیری معمولاً با اکتشاف فعال محیط همراه است، اعتقاد بر این است که در طول حالت های آنلاین اتفاق می افتد. از سوی دیگر، تصور می شود که حالت های آفلاین برای تثبیت خاطرات و دانش به دست آمده در طول اکتشاف (یعنی در حالت های آنلاین) مهم هستند.

گروسمارک توضیح داد: «در حالی که ما با این چارچوب کلی موافقیم، نتایج ما نشان می‌دهد که به جای تثبیت غیرفعال خاطرات، حالت‌های آفلاین نقش فعالی در انتخاب خاطرات دائمی دارند و بنابراین نقش مکملی در یادگیری دارند، در مقایسه با حالت‌های آنلاین».

در طول چند دهه گذشته، تعداد فزاینده ای از مطالعات علوم اعصاب بررسی کرده اند که چگونه خاطرات اعمال پاداش در مغز تقویت می شود. برخلاف نظریات قبلی، گروسمارک و همکارانش این فرضیه را مطرح کردند که برای حمایت از یادگیری رفتارهای انعطاف پذیر، مغز باید اطلاعاتی را نیز ترکیب کند که در زمان کسب ارزش پاداش آشکاری ندارند.

به عنوان مثال، هنگام قدم زدن در یک شهر جدید، ممکن است بارها و بارها متوجه شویم که فقط از نقطه A به نقطه B می‌رسیم – اما در طی چندین بار طی کردن این مسیر، به آرامی نقشه‌ای دقیق از تمام نقاط بین آن‌ها می‌سازیم، حتی گروسمارک گفت: اگر واقعاً هرگز آنقدر متوقف نشده‌ایم که از آنها قدردانی کنیم. “به نوبه خود، زمانی که برنامه ما تغییر می کند و در عوض می خواهیم از A به C برویم، این نقشه “نهفته” که بی سر و صدا ایجاد کرده ایم ممکن است واقعا مفید باشد. یک چرخه دائمی از تعامل و جدا شدن از دنیای اطراف ما، مطابق با آنچه ما به عنوان حالت های آنلاین و آفلاین از آن یاد می کنیم.”

در آزمایش‌های خود، محققان مشاهده کردند که به‌کارگیری نورون‌های هیپوکامپ برای رویدادهای فعال‌سازی مجدد پس از یادگیری در واقع ثبات طولانی‌مدت آن‌ها را چند روز بعد پیش‌بینی کرد. علاوه بر این، این اثر یکپارچه‌سازی تنها برای بازنمایی‌های فضایی مکان‌هایی دور از جایی که حیوانات جایزه گرفته بودند مشاهده شد. این نشان می دهد که تثبیت حافظه آفلاین به طور انتخابی بازنمایی های عصبی را تقویت می کند که از نظر رفتاری اهمیت کمتری دارند و بنابراین مستعد فراموش شدن هستند.

ما واقعاً هیجان‌زده‌ایم که مطالعه ما به بینش‌های جدیدی در مورد نقش‌هایی که این حالت‌های درگیر و بی‌تفاوت مختلف در یادگیری ایفا می‌کنند منجر می‌شود؛ به‌طور مشترک منجر به ایجاد خاطرات بلندمدت شناختی گسترده‌ای می‌شود که هم برای یافتن راه بازگشت به مکان‌های مهم مفید هستند و هم گروسمارک گفت: برای رسیدن انعطاف پذیر به مقاصد غیرمنتظره جدید.

این یافته‌ها می‌تواند درک کنونی را در مورد اینکه چگونه حیوانات و انسان‌ها نقشه‌های ذهنی محیط خود را در طول زمان یکپارچه می‌کنند، به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد. در آینده، آنها می توانند راه را برای مطالعات بیشتر برای بررسی الگوهای فعال سازی مجدد در هیپوکامپ هموار کنند که می تواند به اکتشافات مهم جدیدی منجر شود.

گروسمارک افزود: «این واقعیت که به نظر می‌رسد تثبیت حافظه نقش منحصر به فرد و فعالی در یادگیری بازی می‌کند، راه‌های هیجان‌انگیزی را در مورد چگونگی شکل‌گیری محتوای حافظه بلندمدت باز می‌کند. ما اکنون قصد داریم مکانیسم‌های مدار عصبی را در این فرآیند انتخاب آفلاین کشف کنیم و بررسی کنیم که چگونه آنها در بیماری‌های روانی که بر حافظه بلندمدت تأثیر می‌گذارند، بی‌نظم می‌شوند.»

© 2021 Science X Network