Нейронный коммутатор: как мы учимся, ничего не забывая

Вместо того чтобы задействовать совершенно новые нейроны для каждого воспоминания, мозг, по-видимому, повторно использует это меньшинство клеток, дифференцируя потоки информации за счет времени и паттерна их возбуждения. Такая архитектура позволяет мозгу оставаться пластичным для обучения, сохраняя при этом цепи, хранящие старые воспоминания, в стабильном состоянии.

Консолидация воспоминаний во сне

Те же самые нейроны-хабы CA1, которые обеспечивают дневную связь, не отключаются и ночью. Во время сна они остаются высокоактивными внутри так называемых «острых волновых пульсаций» (sharp-wave ripples) — коротких высокочастотных всплесков нейронной активности, — заново проигрывая паттерны возбуждения, характерные для периода бодрствования . Этот ночной цикл «повторного воспроизведения» является центральным для консолидации памяти — процесса, посредством которого хрупкие новые воспоминания преобразуются в стабильное долговременное хранилище.

Более ранние исследования подтверждают идею о том, что именно во сне мозг сортирует и стабилизирует воспоминания. Исследование 2025 года, финансируемое Национальными институтами здравоохранения США (NIH), показало, что новые и старые воспоминания реактивируются во сне в разных физиологических состояниях, что помогает удерживать их по отдельности . Исследование NYU Langone добавляет объяснение на уровне нейронных цепей: механизм коммутатора удерживает открытым путь от гиппокампа к коре во время сна, гарантируя, что повторное воспроизведение закрепляет новую информацию, не перезаписывая старые следы памяти.

Значение для болезни Альцгеймера

Известно, что область CA1 является одной из первых зон мозга, поражаемых при болезни Альцгеймера . Фактически, исследования показали, что организация синапсов в гиппокампальной формации уязвима на ранних стадиях заболевания — различия в постсинаптических мишенях и формах синапсов появляются даже тогда, когда общая плотность синапсов выглядит нормальной .

Доктор Чжэ Чэнь (Zhe S. Chen), соавтор исследования NYU Langone, отметил, что недавно открытый механизм коммутатора «может дать ключ к пониманию того, как цепи памяти выходят из строя при болезни Альцгеймера и других состояниях, влияющих на способность мозга вспоминать события и ориентироваться в пространстве» .

Если нейроны-хабы CA1 теряют способность поддерживать раздельные каналы для входящих и исходящих сигналов, мозг может начать смешивать новую и старую информацию или вовсе перестать сохранять новые воспоминания, что приводит к типичным нарушениям памяти, наблюдаемым при болезни Альцгеймера . Гиппокамп также содержит отдельные слои нейронов CA1 с уникальными молекулярными сигнатурами, которые могут быть по-разному уязвимы при таких состояниях, как болезнь Альцгеймера и эпилепсия, что добавляет еще один уровень сложности к пониманию того, как цепи памяти деградируют .

Схема для лучшего искусственного интеллекта

Помимо нейробиологии и медицины, открытие содержит уроки и для сферы искусственного интеллекта. Современные системы ИИ страдают от хорошо задокументированной проблемы, называемой «катастрофическим забыванием»: когда нейронную сеть обучают новой задаче, она часто перезаписывает веса, усвоенные для предыдущих задач. Мозг млекопитающих, напротив, может непрерывно учиться, не теряя старых знаний.

Исследование NYU Langone предполагает, что мозг добивается этого за счет архитектурного разделения входных и выходных потоков в рамках общих нейронных цепей — принцип организации, который можно было бы перенести в системы ИИ следующего поколения . Вместо того чтобы переучивать целые сети на новых данных, архитектуры ИИ могли бы включать аналогичные модули-«коммутаторы», которые направляют новую информацию по выделенным каналам, сохраняя при этом существующие представления.

Исследователи охарактеризовали свои выводы как потенциальный «биологический чертеж» для проектирования ИИ, способного к непрерывному обновлению, что является своего рода Священным Граалем в этой области .

Ограничения и дальнейшие шаги

Важно отметить, что данное исследование проводилось на мышах, перемещающихся в контролируемой лабораторной среде. Хотя организация гиппокампальных цепей является эволюционно консервативной у млекопитающих, для получения твердых выводов о человеческом мозге или более естественном поведении при запоминании потребуются дальнейшие исследования .

Команда NYU Langone планирует исследовать, существуют ли аналогичные каналы «коммутаторного типа» в других цепях памяти за пределами пути CA1-кора. Понимание того, насколько универсален этот механизм, может расширить как нейробиологические знания, так и прикладные возможности для лечения расстройств памяти.