Сможет ли антипамять изменить неврологию, как антиматерия изменила физику?

Одним из наиболее интригующих открытий физики прошлого века было существование антиматерии, материала, который служит словно «зеркальным отражением» субатомных частиц — электронов, протонов и кварков — но с противоположным зарядом. Антиматерия углубила наше понимание Вселенной и законов физики, а теперь эта же идея должна объяснить нечто столь же таинственное: память.

Когда воспоминания создают и «вспоминаются», между нейронами мозга образуются новые и сильные электрические связи. Память представлена этими новыми связями между нейронами. Однако новая теория, подкрепленная исследованиями на животных и математическими моделями, предполагает, что в то же время, когда создается память, рождается «антипамять» — соединения между нейронами, обладающие совершенно противоположным характером электрической активности по сравнению с оригинальной памятью. Ученые считают, что это помогает поддерживать баланс электрической активности в мозге.

Рост более сильных связей между нейронами, известных как увеличение возбуждения, является частью нормального процесса обучения. Как и волнение, которое мы ощущаем эмоционально, немного возбуждения не помешает. Но как и с эмоциональным возбуждением, избыток может привести к проблемам.

По сути, уровень электрической активности в головном мозге тонко и четко сбалансирован. Любое чрезмерное возбуждение в мозге нарушает этот баланс. Электрический дисбаланс, как полагают, лежит в основе некоторых когнитивных проблем, связанных с психическими и психологическими условиями, такими как аутизм и шизофрения.

Пытаясь понять последствия дисбаланса, ученые пришли к выводу, что должен быть второй процесс в обучении, который компенсирует возбуждение, вызванное новой памятью, и сохраняет всю систему отлаженной. Суть теории в том, что, подобно материи и антиматерии, должна быть антипамять на каждую память. Точное зеркальное отображение возбуждения новой памяти предотвращает нарастающий шторм мозговой активности, сохраняя систему в равновесии. Память присутствует, но активность, которую она порождает, подавляется. Антипамять заглушает оригинальную память, не стирая ее.

Что делает антипамять?

Пока что существование антипамяти подтверждают лишь экспериментальные работы на крысах и мышах, а также моделирование. Эксперименты требуют прямой записи внутри мозга с помощью электродов, и поскольку помещение металлических зондов в мозги людей, как правило, не одобряется, ученые пока не могут напрямую подтвердить существование антипамяти у людей. В работе, которая была опубликована в журнале Neuron, группа ученых из Оксфордского университета и Университетского колледжа в Лондоне придумала разумный способ определить, работает ли память у людей так же, как у наших братьев меньших.

Испытуемых попросили выполнить задачу, которая создает новую память. Используя фМРТ для сканирования мозга испытуемых в течение нескольких часов после обучения, ученые не обнаружили никаких следов этой памяти, поскольку ее заглушила антипамять. Поэтому они пропустили слабый электрический ток через область мозга, в котором образовалась память (используя безопасную технику анодной транскраниальной симуляции постоянного тока). Это позволило им снизить ингибиторную активность мозга в этой области — нарушить ингибиторную антипамять и выявить скрытые воспоминания.

На диаграмме выше показаны четыре цветных фигуры, которые участник теста должен будет разбить по парам. Таким образом, изучается две пары форм, и память представлена оранжевыми соединениями между ними. В процессе запоминания этих пар, возбуждение в головном мозге, вызванное обучением и созданием памяти, уравновешивается ингибиторной антипамятью, представленной новыми серыми линиями.

Желтые квадраты ниже демонстрируют уровень активности нейронов во время процесса обучения. Сначала, до образования пар, они отвечают лишь на красный квадрат. После изучения пар красных и зеленых квадратов, нейроны реагируют на каждый раздражитель. Антипамять реагирует на эту ассоциацию и заглушает их, и нейроны активируются лишь в ответ на красный раздражитель. Наконец, после временного нарушения антипамяти, ассоциация снова проявляется и нейроны активируются в ответ на каждый раздражитель.

Похоже, что у людей, как и у животных, антипамять играет важную роль для предотвращения потенциально опасного избытка электрического возбуждения мозга, которое, в противном случае, может привести к этакому эпилептическому состоянию мозга и судорогам. Считается, что антипамять может также играть важную роль в предотвращении спонтанной активации воспоминаниями друг друга, что могло бы приводить к путанице и неупорядоченным процессам мышления.

Подобно тому, как математическая теория антиматерии и ее последующее открытие в природе и создание в лаборатории оказали важное влияние на физику 20 века, похоже, исследование загадочных процессов антипамяти может стать потенциально революционным для нашего понимания мозга в грядущий век.