Scientists monitor brains replaying memories in real time

Scientists monitor brains replaying memories in real time

Our brains use the distinct firing patterns to store and replay the memories.

Full Story:

In a study of the epilepsy patients, The Researchers at the National Institutes of Health monitored that the electrical activity of thousands of individual brain cells, called neurons, as patients took memory tests. Researchers found that the firing patterns of  cells that occurred when the  patients learned a word pair were replayed fractions of a second before they successfully remembered the pair. The study was part of an NIH Clinical Center trial for patients with drug-resistant epilepsy their seizures cannot be controlled with the drugs.

"The Memory plays a crucial role in our lives. Just as the  musical notes are recorded as grooves on a record, it appears that our brains store memories in neural firing patterns that can be replayed over and over again," said Kareem Zaghloul, M.D., Ph.D., a neurosurgeon-researcher at the NIH's National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) and senior author of the study published in Science.

Dr. Zaghloul's team has been recording electrical currents of drug-resistant epilepsy patients temporarily living with surgically implanted electrodes designed to monitor brain activity in the hopes of identifying the source of a patient's seizures. This period also provides an opportunity to study neural activity during memory. In this study, his team examined the activity used to store memories of our past experiences, which scientists call episodic memories.

In 1957, the case of an epilepsy patient H.M. provided a breakthrough in memory research. H.M could not remember new experiences after part of his brain was surgically removed to stop his seizures. Since then, research has pointed to the idea that episodic memories are stored, or encoded, as neural activity patterns that our brains replay when triggered by such things as the whiff of a familiar scent or the riff of a catchy tune. But exactly how this happens was unknown.

Over the past two decades, rodent studies have suggested that the brain may store memories in unique neuronal firing sequences. After joining Dr. Zaghloul's lab, Alex P. Vaz, B.S., an M.D., Ph.D. student at Duke University, Durham, North Carolina, and the leader of this study decided to test this idea in humans.

"We thought that if we looked carefully at the data we had been collecting from patients we might be able to find a link between memory and neuronal firing patterns in humans that is similar to that seen in rodents," said Vaz, a bioengineer who specializes in deciphering the meaning of electrical signals generated by the body.

To do this they analyzed the firing patterns of individual neurons located in the anterior temporal lobe, a brain language center. Currents were recorded as patients sat in front of a screen and were asked to learn word pairs such as "cake" and "fox." The researchers discovered that unique firing patterns of individual neurons were associated with learning each new word pattern. Later, when a patient was shown one of the words, such as "cake," a very similar firing pattern was replayed just milliseconds before the patient correctly recalled the paired word "fox."

"These results suggest that our brains may use distinct sequences of neural spiking activity to store memories and then replay them when we remember a past experience," said Dr. Zaghloul.

Last year, his team showed that electrical waves, called ripples, may emerge in the brain just split seconds before we remember something correctly. In this study, the team discovered a link between the ripples recorded in the anterior temporal lobe and the spiking patterns seen during learning and memory. They also showed that ripples recorded in another area called the medial temporal lobe slightly preceded the replay of firing patterns seen in the anterior temporal lobe during learning.

"Our results support the idea that memories involve coordinated replay of neuronal firing patterns throughout the brain," said Dr. Zaghloul. "Studying how we form and retrieve memories may not only help us understand ourselves but also how neuronal circuits break down in memory disorders."

This study was supported by the NINDS Intramural Research Program and NIH training grants (NS113400, GM007171).

Urdu Translation:

مرگی کے مریضوں کے مطالعے میں ، قومی صحت کے قومی اداروں کے محققین نے دماغ کے ہزاروں انفرادی خلیوں کی برقی سرگرمی کی نگرانی کی ، جن کو نیوران کہتے ہیں ، جب مریضوں نے میموری ٹیسٹ لیا۔ انھوں نے پایا کہ خلیوں کے فائر پیٹرن جو اس وقت پیش آتے ہیں جب مریضوں نے لفظی جوڑی سیکھ لیا اس سے پہلے کہ وہ جوڑی کو کامیابی کے ساتھ یاد رکھیں اس سے پہلے ایک سیکنڈ کا ایک حصہ دوبارہ چلایا جاتا ہے۔ یہ مطالعہ منشیات سے متاثرہ مرگی کے مریضوں کے لئے NIH کلینیکل سنٹر ٹرائل کا حصہ تھا جس کے دوروں کو منشیات کے ساتھ کنٹرول نہیں کیا جاسکتا ہے۔

پی ایچ کے ، ایم ڈی ، کریم زغلوال نے کہا ، "میموری ہماری زندگی میں ایک اہم کردار ادا کرتا ہے۔ جس طرح میوزیکل نوٹ کسی نالی کے درجے کو نالیوں کے طور پر ریکارڈ کیا جاتا ہے ، ایسا لگتا ہے کہ ہمارے دماغ یادوں کو عصبی فائر پیٹرن میں اسٹور کرتے ہیں جو بار بار چلائے جاسکتے ہیں۔" .D. ، NIH کے نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف نیورولوجیکل ڈس آرڈر اینڈ اسٹروک (NINDS) کے ایک نیورو سرجن محقق اور سائنس میں شائع ہونے والے اس مطالعے کے سینئر مصنف۔

ڈاکٹر زاغول کی ٹیم مریض کے دورے کے ذریعہ کی شناخت کی امید میں دماغی سرگرمی کی نگرانی کے لئے سرجری پرتیاروپت الیکٹروڈ کے ساتھ عارضی طور پر منشیات سے بچاؤ والے مرگی کے مریضوں کی برقی دھاریں ریکارڈ کررہی ہے۔ یہ مدت یاد کے دوران عصبی سرگرمی کا مطالعہ کرنے کا بھی موقع فراہم کرتی ہے۔ اس مطالعے میں ، ان کی ٹیم نے ہمارے گذشتہ تجربات کی یادوں کو محفوظ کرنے کے لئے استعمال ہونے والی سرگرمی کا معائنہ کیا ، جسے سائنس دان مہاکاوی یادیں کہتے ہیں۔

1957 میں ، ایک مرگی کے مریض H.M. میموری تحقیق میں ایک پیش رفت فراہم کی۔ H.M اپنے دوروں کو روکنے کے لئے جراحی سے دماغ کے کچھ حصے کو ہٹانے کے بعد نئے تجربات کو یاد نہیں کرسکتا تھا۔ تب سے ، تحقیق نے اس خیال کی نشاندہی کی ہے کہ عصری یادوں کو ذخیرہ کیا جاتا ہے ، یا انکوڈ شدہ ، اعصابی سرگرمی کے نمونوں کے طور پر جو ہمارے دماغ کو دوبارہ چلاتے ہیں جب ایسی چیزوں کے ذریعہ متحرک ہوجاتا ہے جب کسی واقفیت کی خوشبو یا کسی دھن کی چھلک ہوتی ہے۔ لیکن بالکل یہ کیسے معلوم ہوتا ہے معلوم نہیں تھا۔

پچھلی دو دہائیوں کے دوران ، چوہا مطالعے نے یہ تجویز کیا ہے کہ دماغ یادوں کو عصبی نیورونل فائر کرنے کے سلسلے میں محفوظ کرسکتا ہے۔ ڈاکٹر ظغولول کی لیب میں شامل ہونے کے بعد ، ایلکس پی واز ، بی ایس ، ، ایک ایم ڈی ، پی ایچ ڈی۔ ڈارک یونیورسٹی ، ڈرہم ، شمالی کیرولائنا کے طالب علم اور اس تحقیق کے رہنما نے انسانوں میں اس خیال کو پرکھنے کا فیصلہ کیا۔

"ہم نے سوچا کہ اگر ہم مریضوں سے جمع کرنے والے اعداد و شمار کو بغور دیکھتے ہیں تو شاید ہم انسانوں میں میموری اور اعصابی فائرنگ کے نمونے کے مابین ایک ربط تلاش کرسکیں گے جو چوہوں میں دکھائے جانے والے مشابہ کی طرح ہے۔" جسم کے ذریعہ پیدا ہونے والے برقی سگنلوں کے معنی سمجھنے میں۔

ایسا کرنے کے ل they ، انہوں نے دماغی زبان کا ایک مرکز ، پچھلے عارضی لاب میں واقع انفرادی نیورون کے فائر پیٹرن کا تجزیہ کیا۔ دھارے ریکارڈ کیے گئے جب مریض اسکرین کے سامنے بیٹھ گئے اور انہیں "کیک" اور "لومڑی" جیسے الفاظ کے جوڑے سیکھنے کو کہا گیا۔ محققین نے دریافت کیا کہ انفرادی نیورانوں کے انوکھے فائر پیٹرن ہر نئے لفظ کے انداز کو سیکھنے کے ساتھ وابستہ ہیں۔ بعد میں ، جب ایک مریض کو "کیک" جیسے الفاظ میں سے ایک دکھایا گیا تو اس سے پہلے ہی مریض کو جوڑا بند لفظ "لومڑی" کو صحیح طور پر یاد کرنے سے پہلے اسی طرح کے فائرنگ کا انداز صرف ملی سیکنڈ میں چلایا جاتا تھا۔

"یہ نتائج بتاتے ہیں کہ ہمارے دماغ یادوں کو ذخیرہ کرنے کے لural اعصابی اسپکنگ سرگرمی کے الگ الگ انداز کا استعمال کرسکتے ہیں اور پھر جب ہم ماضی کے تجربے کو یاد کرتے ہیں تو ان کو دوبارہ چلائیں۔"

پچھلے سال ، ان کی ٹیم نے یہ ظاہر کیا کہ برقی لہریں ، جسے لہریں کہا جاتا ہے ، دماغ میں پھٹ سکتی ہے اس سے قبل کہ ہمیں کچھ صحیح طریقے سے یاد ہوجائے۔ اس مطالعے میں ، ٹیم نے پچھلے عارضی لاب میں درج لہروں اور سیکھنے اور میموری کے دوران دکھائے جانے والے چھلکنے والے نمونوں کے مابین ایک ربط پایا۔ انہوں نے یہ بھی دکھایا کہ میڈل ٹمپلل لوب نامی کسی اور علاقے میں ریکارڈ شدہ لہریں سیکھنے کے دوران پچھلے عارضی لاب میں نظر آنے والے فائرنگ کے نمونوں کی ری پلے سے قدرے پہلے تھیں۔

ڈاکٹر زغلوال نے کہا ، "ہمارے نتائج اس نظریہ کی تائید کرتے ہیں کہ یادوں میں پورے دماغ میں نیورونل فائر پیٹرن کا مربوط ری پلے شامل ہوتا ہے۔" "ہم کس طرح یادوں کی تشکیل اور بازیافت کرتے ہیں اس کے مطالعہ سے نہ صرف خود کو سمجھنے میں مدد مل سکتی ہے بلکہ یہ بھی کہ میموری کے عارضے میں نیورونل سرکٹس کیسے ٹوٹ جاتے ہیں۔

Source:

NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke