Ritmurile neuronale au impact asupra memoriei
Creierul învață prin modificări ale forței sinapselor sale - conexiunile dintre neuroni - ca răspuns la stimuli. Acum, într-o descoperire care provoacă înțelepciunea convențională asupra mecanismelor de învățare ale creierului, neurofizicienii UCLA au descoperit că există un „ritm” sau o frecvență optimă a creierului pentru schimbarea forței sinaptice.
Și, la fel ca posturile de pe un cadran radio, fiecare sinapsă este reglată la o frecvență optimă diferită pentru învățare.
Cercetătorii consideră că descoperirile pot duce la o teorie unificată a mecanismelor care stau la baza învățării în creier - o descoperire care ar putea duce la noi terapii pentru tratarea dizabilităților de învățare.
Studiul apare în numărul curent al revistei Frontiere în Neuroștiințe Computaționale.
„Mulți oameni au tulburări de învățare și de memorie și, dincolo de acest grup, majoritatea dintre noi nu suntem Einstein sau Mozart”, a spus Mayank R. Mehta, Ph.D., autorul principal al lucrării. „Munca noastră sugerează că unele probleme cu învățarea și memoria sunt cauzate de sinapsele care nu sunt reglate la frecvența corectă.”
O schimbare a forței unei sinapse ca răspuns la stimuli - cunoscută sub numele de plasticitate sinaptică - este indusă prin așa-numitele „trenuri cu vârf”, serie de semnale neuronale care apar cu frecvență și sincronizare variabile.
Experimentele anterioare au folosit sute de vârfuri consecutive în domeniul frecvenței foarte mari pentru a induce plasticitatea. Cu toate acestea, acest lucru nu este cazul când creierul este activat în timpul sarcinilor comportamentale din viața reală, deoarece neuronii trag doar aproximativ 10 vârfuri consecutive, nu câteva sute. Și o fac la o frecvență mult mai mică - de obicei în intervalul de 50 de vârfuri pe secundă.
Până acum, cercetătorii nu au putut efectua experimente care simulează niveluri mai naturale.
În noul studiu, Mehta și co-autorul Arvind Kumar, dr., Au reușit să obțină aceste măsurători pentru prima dată folosind un model matematic sofisticat pe care l-au dezvoltat și validat cu date experimentale.
Contrar a ceea ce s-a presupus anterior, Mehta și Kumar au descoperit că, atunci când vine vorba de stimularea sinapselor cu modele de vârfuri naturale, stimularea neuronilor la cele mai mari frecvențe nu a fost cea mai bună modalitate de a crește puterea sinaptică.
„Spre surprinderea noastră, am constatat că dincolo de frecvența optimă, întărirea sinaptică a scăzut de fapt pe măsură ce frecvențele au crescut.”
Cunoașterea faptului că o sinapsă are o frecvență preferată pentru învățarea maximă i-a determinat pe cercetători să compare frecvențe optime pe baza locației sinapsei pe un neuron.
Neuronii au formă de copaci, nucleul fiind baza copacului, dendritele asemănătoare ramurilor extinse și sinapsele asemănătoare frunzelor de pe acele ramuri.
Când Mehta și Kumar au comparat învățarea sinaptică pe baza locului în care erau localizate sinapsele pe ramurile dendritice, ceea ce au găsit a fost semnificativ: Frecvența optimă pentru inducerea învățării sinaptice s-a schimbat în funcție de locul în care a fost localizată sinapsa. Cu cât sinapsa era mai departe de corpul celular al neuronului, cu atât este mai mare frecvența sa optimă.
„În mod incredibil, atunci când vine vorba de învățare, neuronul se comportă ca o antenă uriașă, cu diferite ramuri de dendrite reglate pe frecvențe diferite pentru învățare maximă”, a spus Mehta.
Cercetătorii au descoperit că fiecare sinapsă nu numai că are o frecvență preferată pentru a obține o învățare optimă, dar pentru cel mai bun efect, frecvența trebuie să fie perfect ritmică - temporizată la intervale exacte. Chiar și la frecvența optimă, dacă ritmul a fost eliminat, învățarea sinaptică a fost substanțial diminuată.
Cercetările lor au arătat, de asemenea, că, odată ce o sinapsă învață, frecvența sa optimă se schimbă. Cu alte cuvinte, dacă frecvența optimă pentru o sinapsă naivă - una care nu a învățat încă nimic - ar fi, să zicem, 30 de vârfuri pe secundă, după învățare, aceeași sinapsă ar învăța optim la o frecvență mai mică, să spunem 24 de vârfuri pe secundă . Astfel, învățarea în sine schimbă frecvența optimă pentru o sinapsă.
Acest proces de detunare indus de învățare are implicații importante pentru tratarea tulburărilor legate de uitare, cum ar fi tulburarea de stres post-traumatic, au spus cercetătorii.
Deși este nevoie de mult mai multe cercetări, concluziile ridică posibilitatea ca medicamentele să poată fi dezvoltate pentru a „regla” ritmurile cerebrale ale persoanelor cu tulburări de învățare sau de memorie sau că mulți dintre noi ar putea deveni Einstein sau Mozart dacă s-ar oferi ritmul creierului optim la fiecare sinapsă.
„Știm deja că există droguri și stimuli electrici care pot modifica ritmurile creierului”, a spus Mehta. Descoperirile noastre sugerează că putem folosi aceste instrumente pentru a oferi ritmul creierului optim conexiunilor vizate pentru a îmbunătăți învățarea.
Sursa: UCLA
