Почему мозг сближает воспоминания об опасности и безопасности

Учёные обнаружили, что страх может менять нейронные карты памяти, помогая быстрее распознавать угрозы. Этот механизм открывает новый взгляд на тревожность и ПТСР.

Представьте, что человек однажды пережил автомобильную аварию. Спустя несколько месяцев звук резкого торможения заставляет его сердце учащённо биться, хотя он находится в безопасном месте. Разум ещё не успел оценить происходящее, а организм уже готовится реагировать на угрозу.

Подобные реакции хорошо известны психологам и психиатрам. Но как мозг извлекает воспоминание об опасности настолько быстро и почему иногда реагирует на сходство ситуаций сильнее, чем на различия между ними?

Исследователи Университета Макгилла и Университета Торонто предложили неожиданное объяснение. Возможно, определённые нейронные сети специально организуют воспоминания об опасной и безопасной обстановке таким образом, чтобы облегчить быстрое переключение к памяти об угрозе.

Как мышей научили различать два мира в одном пространстве

Для проверки гипотезы учёные разработали экспериментальную систему с элементами дополненной реальности.

Мыши находились в физически неизменном пространстве, но исследователи могли мгновенно переключать окружающие зрительные и звуковые сигналы. Для животного это выглядело как переход из одной обстановки в другую, хотя фактически оно оставалось на прежнем месте.

Один набор сигналов был связан с неприятным опытом — слабым электрическим воздействием на лапы. Другой обозначал безопасную среду, в которой такого воздействия не происходило.

После обучения мыши могли различать две ситуации и демонстрировали характерную защитную реакцию в контексте, связанном с угрозой.

Чтобы проследить за происходящим в мозге, исследователи использовали миниатюрные микроскопы и метод кальциевой визуализации.

Когда нейрон активируется, внутри него меняется концентрация кальция. Специальные флуоресцентные индикаторы позволяют регистрировать эти изменения и косвенно оценивать активность клеток.

Так учёные одновременно наблюдали за сотнями нейронов гиппокампа — области мозга, участвующей в формировании воспоминаний и распознавании контекста, в котором происходят события.

Особое внимание уделялось двум участкам гиппокампа: дорсальной области CA1 (dCA1) и вентральной области CA1 (vCA1).

Именно сравнение этих двух участков позволило обнаружить ключевое различие.

Почему мозг не всегда разделяет воспоминания об опасности и безопасности

Долгое время одной из центральных идей нейробиологии памяти было представление о разделении паттернов.

Согласно этому принципу, гиппокамп помогает формировать достаточно различающиеся нейронные представления похожих ситуаций. Благодаря этому человек способен помнить два сходных события как разные эпизоды.

Например, два похожих коридора могут вызывать разные воспоминания, если в одном произошло неприятное событие, а другой связан с обычным повседневным опытом.

На нейронном уровне это означает, что разные ситуации представлены различающимися сочетаниями активности нервных клеток. Такие сочетания исследователи называют нейронными репрезентациями.

В эксперименте канадских учёных дорсальная область CA1 в значительной степени соответствовала этому принципу. Нейронные представления безопасной и опасной обстановки оставались относительно различными.

Но в вентральной области CA1 происходило нечто другое.

После формирования воспоминания об угрозе нейронные представления двух контекстов становились заметно более похожими друг на друга.

Иначе говоря, мозг не усиливал границу между безопасным и опасным, а частично сближал их нейронные карты.

При этом мыши не утратили способность различать обстановку по поведению. Они по-прежнему демонстрировали различающиеся реакции на безопасный и угрожающий контексты.

Это принципиально важная деталь: перекрытие нейронных репрезентаций не означало полного смешения воспоминаний.

Неожиданное преимущество перекрывающихся воспоминаний

Почему мозгу может быть выгодно хранить представления об опасной и безопасной среде в частично перекрывающемся виде?

Ответ связан со скоростью извлечения информации.

Когда исследователи переключали мышей в обстановку, ранее связанную с угрозой, вентральная область гиппокампа восстанавливала соответствующую нейронную репрезентацию быстрее и сильнее, чем дорсальная.

Более того, относительное преобладание представления опасного контекста в активности вентрального гиппокампа позволяло предсказывать выраженность реакции замирания.

Замирание — характерная защитная реакция грызунов, часто используемая в исследованиях обусловленного страха.

Получается интересный компромисс.

Дорсальный гиппокамп поддерживал более отчётливое различение двух ситуаций. Вентральный гиппокамп, напротив, демонстрировал организацию активности, потенциально позволяющую быстрее восстановить воспоминание об угрозе.

Авторы предложили объяснение на основе так называемой модели аттракторов.

В нейронных сетях аттрактором называют относительно устойчивое состояние активности, к которому система склонна возвращаться.

Это можно сравнить с шариком, который перемещается по поверхности с углублениями. Каждое углубление соответствует определённому состоянию нейронной сети.

Если переход между состояниями требует преодоления высокого барьера, переключение затруднено. Если барьер ниже, сеть может быстрее перейти в другое состояние.

Исследователи предполагают, что после обучения страху организация активности вентрального гиппокампа меняется таким образом, что переход к представлению опасного контекста становится легче.

Важно, что это модельная интерпретация наблюдений, а не прямое измерение физической энергии переключения нейронов.

С эволюционной точки зрения такая стратегия выглядит понятной. В потенциально опасной ситуации слишком медленная реакция может обойтись дороже, чем кратковременная ошибочная тревога.

Однако само исследование не доказывает, что именно этот механизм возник в ходе эволюции ради такого преимущества.

Как механизм страха может быть связан с тревожностью и ПТСР

В обычных обстоятельствах быстрое распознавание угроз помогает выживанию. Но что происходит, если система начинает слишком часто реагировать на ситуации, напоминающие об опасности?

У людей с тревожными расстройствами и ПТСР иногда наблюдается генерализация страха.

Так называют распространение защитной реакции с первоначально опасной ситуации на другие обстоятельства, которые лишь частично её напоминают.

Например, после пережитого нападения человек может испытывать выраженную тревогу не только в месте происшествия, но и в других внешне похожих местах, объективно не представляющих угрозы.

Традиционно подобные реакции часто связывали с недостаточно точным различением безопасных и опасных сигналов.

Новое исследование предлагает дополнительную возможность.

В некоторых случаях проблема может заключаться не только в недостаточном разделении воспоминаний, но и в чрезмерно быстром вовлечении нейронных систем, связанных с памятью об угрозе.

Ведущий автор работы Роберт Розеске характеризует возможную функцию вентрального гиппокампа как стратегию «лучше перестраховаться».

Старший автор Марк Брэндон предполагает, что при тревожности и ПТСР подобная система могла бы работать чрезмерно активно.

Тогда мозг не обязательно теряет способность различать опасность и безопасность. Он может слишком быстро переходить к обработке информации об угрозе.

Но здесь необходимо разграничить наблюдения и гипотезы.

В исследовании участвовали мыши, а не пациенты с тревожными расстройствами. Учёные не изучали клинический ПТСР, не измеряли активность этих нейронных популяций у людей и не показали, что обнаруженное перекрытие является причиной психического расстройства.

Результаты дают основание для новой гипотезы, но пока не подтверждают её клинически.

Почему открытие не означает, что найден способ лечения ПТСР

Исследование помогает по-новому поставить вопрос о том, каким образом мозг переключается между воспоминаниями о безопасности и угрозе.

Однако до медицинского применения ещё далеко.

Прежде всего необходимо установить, воспроизводится ли аналогичная организация нейронной активности у человека. Хотя гиппокамп присутствует и у грызунов, и у людей, функциональные соответствия его отдельных отделов не являются полностью прямыми.

Кроме того, остаётся открытым вопрос причинности.

Исследователи обнаружили связь между перекрытием нейронных представлений, скоростью восстановления памяти об угрозе и защитным поведением. Но само по себе наблюдение такой связи не доказывает, что изменение перекрытия непосредственно вызывает усиление страха.

Для этого потребуются эксперименты, позволяющие избирательно изменять активность соответствующих нейронных цепей.

Также важно понять, как выявленный механизм взаимодействует с другими областями мозга.

В частности, миндалевидное тело участвует в обработке эмоционально значимых сигналов, а префронтальная кора — в регуляции поведения и реакций на угрозу.

Гиппокамп не работает изолированно. Даже если он быстро извлекает воспоминание об опасности, итоговая реакция зависит от более широкой нейронной сети.

Авторы намерены исследовать, как перекрывающиеся представления меняются при угасании страха — процессе, в ходе которого организм постепенно усваивает, что ранее опасный сигнал больше не предсказывает угрозу.

Это направление особенно интересно для понимания механизмов психотерапии, но пока не позволяет предложить новый лечебный метод.

Существующие доказательные подходы к лечению ПТСР, включая травма-фокусированную психотерапию, остаются актуальными независимо от результатов эксперимента.

Что это исследование меняет в понимании тревоги

Работа канадских нейробиологов предлагает рассматривать память о страхе не только с точки зрения точности сохранения информации.

Не менее важным оказывается то, насколько быстро мозг способен извлечь определённое воспоминание и подготовить соответствующую реакцию.

Разные отделы гиппокампа могут решать эти задачи по-разному.

Одни нейронные системы поддерживают подробное различение контекстов. Другие могут обеспечивать более быстрое восстановление эмоционально значимой информации, допуская некоторое перекрытие воспоминаний.

Такое разделение функций помогает объяснить, почему точная память и быстрая защитная реакция не всегда требуют одинаковой организации нейронной активности.

Для дальнейших исследований тревожности и ПТСР это означает возможность изучать не только ошибки распознавания безопасных сигналов, но и динамику переключения между состояниями памяти.

Если подобные механизмы будут подтверждены у людей, они могут дополнить существующие представления о генерализации страха и регуляции эмоциональных воспоминаний.

Пока же наиболее существенный результат исследования касается фундаментальной нейробиологии: мозг способен организовывать воспоминания об угрозе таким образом, что скорость их извлечения получает приоритет перед максимальной раздельностью нейронных представлений.