Управление памятью (лекция 5)

1. Управление памятью

Лекция 5

2. Перенос памяти - опыты Мак-Коннелла на планариях («химическая» теория памяти)

Американский зоопсихолог Джеймс Мак-Коннел лизучал поведение планарий, пытаясь выработать у них
условные рефлексы на сочетания света и раздражения электрическим током. Также он вел наблюдения за
планариями в Т-образном лабиринте. Так как планарии способны к регенерации, Мак-Коннелл разрезал
поперек обученную ползать по лабиринту планарию и наблюдал сохранение приобретенных навыков у
обеих регенерировавших из половинок особей. Так как обе новые особи демонстрировали равноценную
память, Мак-Коннелл предположил, что память хранится не в мозге непосредственно, а передаётся
посредством недифференцированных клеток — необластов, которые служат для регенерации целой
особи

3. Перенос памяти

Условные рефлексы вырабатывали у планарий (разделив их на две группы) «хитрым»
способом. Каждый из подпороговых раздражителей - вибрацию или освещение - сочетали с
электрическим воздействием. Ответ в группах на оба условных раздражителя был одинаковым
по форме, но «световые» планарии реагировали только на свет, а «вибрационные» - только на
вибрацию. Так образовались две группы обученных планарий. Они и стали жертвами
каннибализма - ими покормили планарий-реципиентов. Каждую такую группу в свою очередь
поделили пополам и подвергли испытанию на один из условных раздражителей. Итак, половину
группы планарий, поевших «световых» доноров, тестировали на свет, а другую половину - на
вибрацию. Точно так же поступили с реципиентами «вибрационных» доноров. Вопреки
ожиданиям, эффект у реципиентов оказался специфическим, т.е. они отвечали большим
количеством реакций только на раздражитель, сигнальный для поеденных ими доноров
Схема, иллюстрирующая передачу планариям-реципиентам условных рефлексов,
выработанных на свет или вибрацию у планарий-доноров.
Знаками + и - отмечено наличие или отсутствие условного рефлекса у реципиента

4. Павловское «проторение пути» («Электрическая» теория памяти)

5. Механизм Хебба

Канадский нейропсихолог Дональд Хебб шел к окончательной формулировке своего
«нейрофизиологического постулата» достаточно долго, публикуя различные его версии в ранних
статьях. Однако, окончательный вид он приобрел в 1949 в самом значимом труде Хебба – «The
Organization of Behavior: A NEUROPSYCHOLOGICAL THEORY».
В данной книге постулат Хебба звучит следующим образом: «When an axon of cell A is near enough to excite a cell B
and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or
both cells such that A's efficiency, as one of the cells firing B, is increased». (стр. 62 в издании 2002 года). Данное
утверждение необходимо переводить аккуратно, так как во многом его небрежное трактование привело к немыслимому
количеству различных видов правила. Более того, нигде в русскоязычной литературе я не нашел перевода именно этой
формулировки, являющейся исходной. Если мы переведем данную выше цитату, то получится следующий постулат:
«Если аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбуждать клетку B, и неоднократно или
постоянно принимает участие в ее возбуждении, то наблюдается некоторый процесс роста или
метаболических изменений в одной или обеих клетках, ведущий к увеличению эффективности А, как одной
из клеток возбуждающих В».
Разберем данное утверждение и выделим основные следствия, которые могут быть выведены из представленной
формулировки:
Причинно-следственная связь. Основной смысл постулата Хебба заключается в том, что если изначально наблюдается
причинно-следственная связь между активациями пре- и постсинаптического нейрона, то эта связь имеет тенденцию к
усилению (про обратный закон Хебб в данной формулировке ничего не говорит).
Местоположение изменений. Хебб указывает, что это усиление связанности происходит либо за счет изменения в
проводимости синапса (процесс роста), либо за счет изменения метаболических особенностей самих клеток.

6. Синапсы Хебба

Совокупное возбуждение.
Хебб не случайно два раза (в начале и в
конце формулировки) обращает наше
внимание на то, что рассматриваемый
пресинаптический нейрон является лишь
одним из нейронов, которые принимают
участие в возбуждении постсинаптического
нейрона. Это утверждение, которое вполне
понятно
нейрофизиологам,
для
математиков является достаточно трудным.
Такой формулировкой он указывает, что
возбуждение постсинаптического нейрона
не может быть осуществлено только за счет
одного пресинаптического (спайк – это
деполяризация
мембраны
нейрона,
а
разряд одного пресинатического нейрона
никогда
не
может
привести
к
деполяризации
постсинаптического
нейрона).
В
моделях
искусственных
нейронных сетей этот факт практически
всегда нарушается, и к чему приводит
такое несоответствие мы рассмотрим ниже
Согласно Хеббу, следы памяти могут формироваться путем модификации синапсов. На этой схеме
показано, как два нейрона образуют синапсы на третьем.
Сначала (I), когда активен нижний (темный) синапс, происходит возбуждение третьего нейрона,
которое не может быть вызвано через слишком слабый верхний (светлый) синапс.
Однако при одновременном воздействии обоих синапсов (II) третий нейрон тоже возбуждается и
в нем происходит ряд последовательных биохимических процессов, которые усиливают прежде
слабый верхний синапс.
В результате (III) верхний синапс приобретает способность сам по себе вызывать реакцию
третьего нейрона.

7. Анатомия гиппокампа

Сети гиппокампа:
Гиппокамп образует главным образом однонаправленные
сети, с входом от энторинальной коры (Entorinal Cortex
EC) которая связана с зубчатой извилиной (DG) и
пирамидальными нейронами поля СА3 через
перфорантный путь (PP - разделен на латеральный и
медиальный) .
СА3 нейроны также получают поддержку со стороны DG
по мшистым волокнам (MF). Они посылают аксоны к
пирамидам поля CA1 с помощью пучка Шаффера (SC), а
также к клеткам CA1 в контралатеральном гиппокампе
через ассоциативный коммисуральный пучок (AC).
CA1 нейронов также получают прямые входы от
перфорантного пути и посылают аксоны к подлежащую
ткань (Sb). Эти нейроны в свою очередь, посылают аксон
назад (основной выход гиппокампа) в ЕС, образуя петлю.

8. Циркуляция в гиппокампе

Весь гиппокамп можно рассматривать как одну гигантскую корковую колонку.
Нижний слой зернистых клеток (gc) расходятся ортогонально как входная информация для второго
слоя нейронов CA3b/с. Последние проецируются главным образом на CA1, но в значительной
степени также возвратно на популяцию CA3a/б. Мшистые клетки на входе (не показаны), которые
обеспечивают возбудительную обратную связь для большого числа зернистых клеток, также могут
быть представлены как отдельный слой.
Сложная возбуждительная глутамат-ергическая петля в
гиппокампе и смежных структурах.
Длинная петля, соединяющая слой 2 энторинальной коры
(EC), зернистые клетки (gc), CA3, CA1, и подлежащую ткань
(S), возвращается в слой 5 энторинальной коры и
дополняется несколькими «срезками» и смежными петлями.
Самый короткий цикл между энторинальной корой и
гиппокампом - это путь от слоя 3 энторинальной коры в CA1 и
обратно в слой 5 энторинальной коры.
Возбуждающие трафик в несколько петель находится под
контролем большой семьи интернейронов, чьи соединения не
являются петлеобразными: MC, мшистые клетки на входе;
миндалины;
ретикулярное
ядро
таламуса;
PFC
префронтальная кора, передняя поясная кора.

9. Гиппокампальное представительство физического пространства. Клетки места

a. Участки зоны СА1 с центрами A-D, картирующими позицию крысы (чёрная линия). Диагональные лини внизу
иллюстрируют соответствующую фазе прецессию отношений. Ось X - физическое расположение, ось Y –
локальная фаза тэта-колебания (оттенки серого). Нумерованные квадраты означают четыре временных окна в
пределах тэта-цикла.
b. Карта зоны CA1, с точками, показывающими все клетки с полями, картирующими позицию крысы (цвета
соответствуют полям). Это клетки места. Трэк пробежки – экспериментальная парадигма. Расширительно
«клетки места» – это «клетки элемента обстановки» или «клетки жизненного обстоятельства».
Серые панели - мгновенные снимки тэта-фазы на зоне CA1 в случаях синфазных колебаний (sync) и бегущих
волн (wave).
c. Паттерн активности в CA1 если тэта-колебания синфазны. Каждая панель аналогична случаю b, но окрашены
только клетки, активные во время каждого временного окна. В каждый момент отдельная тэта-фаза окрашивает
всю зону CA1, и, следовательно, клетки, отражающие свой сегмент физического пространства, совместно все
активированы.
d. Если тэта-колебания движутся волной, то в каждый момент времени распорядок локальных тэта-фаз
картирован по гиппокампу и, следовательно, совместно активированы группы клеток, связанные с сегментами
пространства ABCD.

10.

Роль острых волн
(высокоамплитудные LFP, «sharp waves» SPW, или вспышки гамма-ритма)
Последовательное поведение клеток места воспроизводится как во время движения в
прямом, так и в обратном направлении во время SPW при бодрствовании. Линии спайков
для 13 клеток места показаны до, во время и после одного прохода. Последовательности,
которые происходят при пробежке, активизируются во время SPW как до, так и после
неё, когда крыса стоит неподвижно.
Воспроизведение в прямой последовательности (левая вставка, красная рамка)
происходит перед обходом окружающей среды и обратное воспроизведение – после
(правая вставка, синяя рамка).LFP в зоне CA1 показан сверху и скорость животного
показана снизу. Перепечатано из Diba и Ки Buzsaki (2007)

11. Роль тэта-ритма

Тэта-ритм - это очень точный способ задания временного хода активности клеток
гиппокампа.
Гиппокамп является основной структурой, участвующей в формировании памяти,
поэтому информация должна достичь гиппокампа во время фазового
кодирования. Активное поведение сопровождается гиппокампальными тэтаколебаниями, управляемыми генераторами вне гиппокампа, которые находятся в
медиальной перегородке и в энторинальной коре, и взаимодействуют с
автономными тэта-осцилляторами в гиппокампе. Большинство клеток гиппокампа
вовлечены в тэта-ритм, то есть, они разряжаются преимущественно на
определенной фазе тета-волны. Тэта- колебания также возникают в медиальной
височной доле и других структурах, тесно связанных с гиппокампом, и
регулирующих обмен информацией с гиппокампом
Префронтальная кора (PFC) играет особую роль при обмене, связанном с
памятью,
между гиппокампом и другими регионами во время активного
поведения. Электрофизиологические исследования также показали связь между
гиппокампом и PFC при контролируемых поведенческих задачах.
Тем не менее, активность, так или иначе связанная с гиппокампом,
распространяется на гораздо большую область неокортекса: в тэта-колебания
вовлечены также много синапсов от нейронов гиппокампа, расположенные в
сенсорных и ассоциативных областях теменной коры.
Тэта-колебания служат метрономом для передачи информации из неокортекса в
гиппокамп и обратно. В неокортексе более быстрые локальные гамма-колебания
(30-140 Гц) связываются с предпочтительной фазой тэта-цикла.

12. Прецессия фазы тэта-ритма

Прецессия тета-фазы в CA1 и CA3 (наблюдается также в ЭК,
слой 2) постепенно сдвигает разряды клеток места в начало
тэта-цикла по мере того, как животное пересекает участок
поля. Таким образом, в каждом участке «разрядная» фаза с
сдвигается от фазы, сопоставимой с «разрядной» фазой
входной структуры, на фазу, в которой входы, наоборот,
минимальны, и активность может возникнуть лишь в
результате
внутренней
динамической
обработки
в
гиппокампе предыдущих входных посылок, которые пришли
гораздо раньше.
Наклонные стрелки – фазовый сдвиг (отставание)
станций друг от друга
Горизонтальные красные стрелочки – прецессия тэтафазы
Это выделение разных этапов обработки сигнала вдоль пути «ЭК-гиппокамп» согласуется с
гипотезой, что каждая новая кодировка, а также поиск относящихся к делу запасённых следов
происходят на разных тета-фазах.
Это подтверждается привязкой к разным тета-фазам всплесков гамма-LFP, соответствующих
афферентам, сходящимся в поле гиппокампа CA1 из поля СА3 и ЭК. ЭК передаёт текущую
сенсорную информацию непосредственно в зону CA1, в то время как зона CA3, в динамике
которой преобладают обратные связи, может инициировать поиск следа памяти, и затем
отправить его в CA1.
Действительно, наличие гамма-всплесков
на участке
CA3-CA1, и их разделение на
определенной тэта-фазе, коррелирует с обучением и эффективностью принятия решений в
задаче на рабочую память.

13. Рабочий цикл с переменой направления передачи

Во
время
кодирования
при
бодрствовании,
а
также
при
консолидации памяти во сне, сеть
следует таймеру медленного ритма. При
бодрствовании это тета-ритм, во сне медленные сонные волны (дельта-ритм).
Медленные колебания создают «рабочий
цикл»
обмена
информацией
между
структурами с изменениями направления
передачи в зависимости от фазы волны.
Это гипотеза «источник-приемник». В
рабочем цикле
текущий источник и
приёмник информации смещаются так,
чтобы передача источника пришлась на
"восприимчивую" фазу приемника.
Упрощенная схема взаимодействия
гиппокампа и коры во время
медленных сонных волн.
Клетки неокортекса и ЭК активны в течение UP-фазы, но относительно замолкают во время DOWN-фазы.
Неокортекс стимулирует гиппокамп (красные стрелки), хотя нейроны CA3 тоже активны во время DOWN-фазы
(автономно без корковых влияний держится след прошлого паттерна), тогда как CA1 работают только в течение
UP-фазы.
Активность от CA3 в конце концов прорывается в виде острых волн во время следующей UP-фазы, которые
облегчают действие энторинальных входов, т.е. острые волны временно влияют на разряды в CA1, ЭК и
неокортексе (синие стрелки). Это и есть сравнение с предыдущим паттерном (синие и красные стрелки
упираются друг в друга).
Отклик гиппокампа является максимальным во время острых волн, и последовательность активаций может
составлять несколько ритмических разрядов (чёрные стрелки).
Во время DOWN-фаз автономная обработка может посеять семя активационной структуры и породить (наверху ?) острые волны и отклики во время UP-фазы. Некоторые структуры гиппокампа не включены для простоты.

14. Запоминание по механизму Хебба

У грызунов гиппокампальные «клетки места» активны, когда животное проходит данное «место
поля» или «участок». По мере прохода через этот участок нейрон будет разряжаться во всё более
ранних стадиях каждого следующего тэта-цикл, так что, как только крыса покинет участок, фаза
разрядки будет на 180-360 градусов раньше, чем это было при вступлении на участок.
Таким образом, в пределах каждого тэта-цикла клетки места разряжаются в последовательности,
которая повторяет ближайшую предыдущую траекторию (путь животного), а по времени достаточно
быстро друг за другом, чтобы вызвать зависящую от времени спайка синаптическую пластичность и,
следовательно, помогают хранить эту информацию (запомнить траекторию по механизму Хебба).
Прецессия тэта-фазы повсеместна в гиппокампе, а также наблюдается в ЭК. В сочетании с фазовыми
сдвигами между различными структурами, описанными выше, прецессия фазы создает сложные
паттерны совместной импульсации через структуры, значение которых должно быть ещё
исследовано.
Группы нейронов в зоне CA1, повторно и синхронно активируемых в очень узкое окно времени
(около 30 мс, т.е. примерно гамма-цикл) у впадины тета-волны, возможно, соответствуют
Хеббиановским ансамблям.

15. Вычислительная роль движущихся волн

Из [Ermentrout GB, Kleinfeld D, 2001]: Волны обычно представлены во время периодов без стимуляции, в
то время как синхронная активность типично доминирует в присутствии сильных стимулов. Континуум
фазовых сдвигов на протяжении ряда эпох с движущимися волнами даёт средства для сканирования
поступающего сенсорного потока с новыми характеристиками.
Есть две возможные вычислительные роли волн, основанные на их появлении исключительно как
последовательности колебаний в сети с преимущественно короткими синаптическими связями.
Во-первых, периодическая деинактивация повышает чувствительность нейронов к изменениям на входе
(афферентации) в другие моменты. Движение волны обеспечивает, что только часть сенсорного поля
выключается во время каждого периода. При этом некоторая фракция нейронов максимально
чувствительна к изменениям на входе в любой момент времени.
Во-вторых, движущиеся волны могут служить для пометки мгновенной черты в потоке стимулов с
уникальной фазой. Так сенсорная активность в определённой пространственной локализации
связывается с уникальным значением фазы.
Развилка «волны или синфазность». Перекидка с движущихся волн к синхронности, или почти
синхронности может быть важным вычислительным средством. Когерентная активность среди большого
числа нейронов могла бы быть средством усиления или ослабления синаптических связей по механизму
Хебба. По последним данным (2001), что такая пластичность возникает только, если пре- и
постсинаптические спайки появляются в пределах узкого временного окна (приблизительно менее 20 мс)
и синаптические изменения критически зависят от взаимного графика пре- и постсинаптической
активации. Таким образом, перекидка с движущихся волн к почти синфазности, которая возникает лишь
в присутствии стимуляции, может затем служить для запуска синаптической пластичности.

16. Разности фаз тэта-волн вдоль оси гиппокампа

a-d. Корональный MRI-срез по брегме - 3.8 (a), -4.3 (b), -4.8 (c) и -5.3 (d) (мм), показывающий итоговые
позиции тетродов блока «4 на 8».
e. Внизу - трёхмерная модель правого гиппокампа со слоем CA1 пирамидных клеток (красный) и тетродами
(чёрные). Красная стрелка показывает рострально, чёрная стрелка – латерально. Вверху - вид сверху
тетродов, показанных цветными кружками.
f. LPFs, записанные от области stratum oriens слоя CA1 с использованием блока, показанного на e, во время
тэта-колебаний. Сигналы от каждого ряда блока перечислены от медиального к латеральному и сложены от
рострального к каудальному по цветным кружкам.
g. LFPs, отфильтрованные в полосе 4-10 Гц из интервала, помеченного горизонтальной чертой

17. Топография интраламинарного фазового профиля

a-c. Серые кружки отмечают точки блока, где записывались LFPs в течении 45 мин, пока три крысы бегали
по прямой дорожке. Чёрные стрелки показывают одномоментные величины фазовых сдвигов тэта-волн по
отношению к каналу в середине каждого блока (красные точки). Тёмно-серые секторы показывают
соответствующие стандартные отклонения. Цветные линии соединяют точки с одинаковыми фазовыми
сдвигами. Элементы блока (синие точки), которые могут лежать в подстилающей ткани, (также) имеют
последовательные фазовые сдвиги с CA1.
d. Контуры изображают общий вид сверху на мозг того, что на a-c. Серые стрелки показывают направление
и скорость распространения волны.

18. Протез гиппокампа у крыс. Модель MIMO – «Много входов / много выходов»

Два рычага (показаны зелёным и красным), нажимая
которые животное получало вознаграждение, позволили
записать режим гиппокампа в процессе обучения.
Животное запоминает, какой именно рычаг приносит
ожидаемый результат, благодаря взаимодействию отделов
гиппокампа CA1 и CA3.
В процессе обучения мозг трансформирует кратковременные
воспоминания в долговременную память. Однако стоит
медикаментозными способами отключить гиппокамп, как эта
связь (между видами памяти) пропадает.
MIMO-паттерны, определяемые в реальном
времени, были задействованы в соответствии с
поведенческой парадигмой замкнутой петли.
Результаты показали, что модель была в состоянии
предсказать успешное выполнение текущей
попытки. Таким образом, паттерны, полученные из
MIMO-модели, доставляемые как электрическая
стимуляция к тем же электродам, при нормальных
условиях тестирования улучшают выполнение и,
что важнее, делают возможным восстановление,
когда доставляются животному с ансамблевой
гиппокампальной активностью,
«скомпрометированной» фармакологической
блокадой синаптической передачи.

19. Рекуррентный интерфейс (R-BCI)

C. Действия с рекуррентным BCI,
ведущие к стойким изменениям в
связях [Jackson et al. 2006a].
Вверху. Внутричерепная стимуляция 3-х
сайтов в моторной коре с вызываемыми
у обезьяны в состоянии покоя тремя
разными
мышечными
ответами
(в
центре) и разными изометрическими
вращениями запястья (справа). Стрелки
справа показывают среднее из 200
траекторий вращения.
В середине. Обучение, включающее
2-дневную
триггерную
микростимуляцию
сайта
Nstim
на
каждый спайк, записанный сайтом Nrec
во время свободного поведения или
сна.
Внизу.
После
обучения
выходной
эффект,
вызванный
сайтом
Nrec
изменился в сторону ответа, ранее
присущего только сайту Nstim. Этот
эффект длился неделю.
A
схема
передачи
сигнала
в
рекуррентном
интерфейсе
(R-BCI)
по Mavoori et al., 2005.
B. Плата нейрочипа с контуром, электродный коннектор и батарейка в круглой капсуле,
имплантируемой в голову обезьяны [Jackson et al., 2007].
D. Предлагаемая полностью имплантируемая микросистема (University of Michigan).

20.

Опыты со скотофобином, бродячие
и домашние собаки;
Опыты, о которых говорит
К.Анохин (влияние пептидов на
консолидацию следа).

21. Голографическая гипотеза памяти

22. Оптическая голограмма

Голография создана Деннисом Габором в 1947 г (Нобелевская премия по физике 1971 г)

23. Физический принцип голографии

Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой и фазой. Регистрация амплитуды волн не представляет
затруднений; обычная фотографическая пленка регистрирует амплитуду, преобразуя её в соответствующую локальную
яркость. Фазовые соотношения можно записать с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в
соответствующие амплитудные.
Интерференция возникает, когда в некоторой области пространства складываются несколько волн, частоты которых
близки, или совпадают.
При записи голограммы складываются две волны: опорная волна идёт от специального источника, а другая отражается
от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий
материал), и на ней возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению энергии
(картине интерференции) в этой области.
Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к
объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от
объекта записи.

24. Дивергенция и конвергенция в нервной сети

25. Нейрональная голограмма

26.

Спасибо за внимание