A neuronális ritmusok hatással vannak a memóriára
Az agy szinapszisainak erősségében - az idegsejtek közötti kapcsolatokban - bekövetkező változások révén tanul meg az ingerekre reagálva. Most, a felfedezés során, amely megkérdőjelezi a hagyományos bölcsességet a tanulás agyi mechanizmusaival kapcsolatban, az UCLA neurofizikusai azt találták, hogy van optimális agyi „ritmus” vagy frekvencia a szinaptikus erő megváltoztatásához.
És mint egy rádiós tárcsán lévő állomások, minden szinapszist más és más optimális frekvenciára hangolnak a tanuláshoz.
A kutatók úgy vélik, hogy az eredmények vezethetnek az agyban történő tanulás alapjául szolgáló mechanizmusok egységes elméletéhez - egy olyan felfedezéshez, amely új terápiákhoz vezethet a tanulási zavarok kezelésében.
A tanulmány a folyóirat aktuális számában jelenik meg Határok a számítástechnikai idegtudományban.
"Sok embernek vannak tanulási és memóriazavarai, és ezen a csoporton kívül a legtöbben nem vagyunk Einstein vagy Mozart" - mondta Mayank R. Mehta, Ph.D., a lap vezető szerzője. "Munkánk azt sugallja, hogy a tanulással és a memóriával kapcsolatban bizonyos problémákat az okoz, hogy a szinapszisokat nem a megfelelő frekvenciára hangolják."
Az ingerekre adott szinapszis erősségében bekövetkező változás - az úgynevezett szinaptikus plaszticitás - az úgynevezett „tüskesorozatok” révén váltakozik, amelyek különböző gyakorisággal és időzítéssel fordulnak elő idegi jelek.
Korábbi kísérletek több száz egymást követő tüskét használtak a nagyon nagy frekvenciájú tartományban a plaszticitás kiváltására. Ez azonban nem így van, amikor az agy a valós viselkedési feladatok során aktiválódik, mivel az idegsejtek csak körülbelül 10 egymást követő tüskét lőnek ki, nem több százat. És ezt sokkal alacsonyabb frekvencián teszik - jellemzően az 50 tüske / másodperc tartományban.
Eddig a kutatók nem tudtak olyan kísérleteket végezni, amelyek a természetben előforduló szinteket szimulálták volna.
Az új tanulmányban Mehta és a társszerző, Arvind Kumar, Ph.D., először egy kifinomult matematikai modell felhasználásával tudták megszerezni ezeket a méréseket, amelyeket kísérleti adatokkal validáltak.
A korábban feltételezettekkel ellentétben Mehta és Kumar azt találták, hogy amikor a természetben előforduló tüskemintákkal szinapszisokat stimulálunk, az idegsejtek stimulálása a legmagasabb frekvenciákon nem volt a legjobb módszer a szinaptikus erő növelésére.
"Meglepetésünkre azt tapasztaltuk, hogy az optimális frekvencián túl a szinaptikus erősítés valóban csökkent, mivel a frekvenciák magasabbak lettek."
Az a tudat, hogy a szinapszisnak előnyben részesített frekvenciája van a maximális tanuláshoz, arra késztette a kutatókat, hogy összehasonlítsák az optimális frekvenciákat a szinapszis neuronon való elhelyezkedése alapján.
A neuronok fák formájúak, a mag a fa alapja, a dendritek hasonlítanak a kiterjedt ágakhoz és a szinapszisok hasonlítanak a levelekhez ezeken az ágakon.
Amikor Mehta és Kumar összehasonlították a szinaptikus tanulást annak alapján, hogy a szinapszisok hol helyezkedtek el a dendrites ágakon, mit találtak, az jelentős volt: A szinaptikus tanulás kiváltásának optimális frekvenciája attól függően változott, hogy hol található a szinapszis. Minél távolabb volt a szinapszis az idegsejt testétől, annál magasabb volt az optimális frekvenciája.
"Hihetetlen, hogy amikor a tanulásról van szó, az idegsejt óriási antennaként viselkedik, a dendritek különböző ágait különböző frekvenciákra hangolják a maximális tanulás érdekében" - mondta Mehta.
A kutatók azt tapasztalták, hogy az egyes szinapszisoknak nemcsak az előnyös gyakoriságuk van az optimális tanulás elérése érdekében, hanem a legjobb hatás érdekében a frekvenciának tökéletesen ritmikusnak kell lennie - pontos időközönként időzítve. Az optimális frekvencián is, ha a ritmust elvetik, a szinaptikus tanulás lényegesen lecsökken.
Kutatásuk azt is kimutatta, hogy ha egy szinapszis megtanulja, annak optimális frekvenciája megváltozik. Más szavakkal, ha egy naiv szinapszis optimális frekvenciája - amely még nem tanult meg semmit - mondjuk 30 tüske másodpercenként, miután megtanulta, ugyanez a szinapszis optimálisan tanulna alacsonyabb frekvencián, mondjuk 24 tüske másodpercenként . Így maga a tanulás megváltoztatja a szinapszis optimális gyakoriságát.
Ez a tanulás által kiváltott "detuning" folyamat fontos következményekkel jár az elfelejtéssel járó rendellenességek, például a poszttraumás stressz zavar kezelésében - közölték a kutatók.
Bár sokkal több kutatásra van szükség, az eredmények felvetik annak lehetőségét, hogy gyógyszereket lehetne kifejleszteni a tanulási vagy memóriazavarral küzdő emberek agyi ritmusának „újrhangolásához”, vagy hogy közülünk sokkal többen Einstein vagy Mozart válhatnának, ha az optimális agyi ritmust elérnék minden szinapszishoz.
"Már tudjuk, hogy vannak olyan gyógyszerek és elektromos ingerek, amelyek megváltoztathatják az agy ritmusát" - mondta Mehta. "Eredményeink azt sugallják, hogy ezeket az eszközöket felhasználhatjuk arra, hogy az optimális agyi ritmust eljuttassuk a célzott kapcsolatokhoz a tanulás fokozása érdekében."
Forrás: UCLA
