У новому дослідженні американським вченим вперше вдалося поспостерігати в реальному часі формування рухових спогадів і з’ясувати, чому так звана м’язова пам’ять настільки стійка до забування. Дослідження може допомогти виявити першопричини рухових розладів, що виникають при нейродегенеративних захворюваннях, таких як хвороба Паркінсона, а значить, і знайти оптимальний метод їх лікування.
Півкуля головного мозку миші, забарвлена флуоресцентною міткою (пурпурний) та імунопофарбована c-Fos (зелений) / © Fuu-Jiun Hwang et al, Neuron, 2022
Сьогодні вважається, що спогади зберігаються в головному мозку у вигляді активності мереж із сотень або навіть тисяч нейронів, часом розподілених по сильно віддаленим областям мозку. Іноді таку мережу називають енграмою пам’яті (memory engram). І хоч концепція, що пояснює пам’ять через енграми, розвивається понад століття, точно визначити, що ж таке енграма і як вона формується, виявилося надзвичайно складним завданням. Попередні дослідження показали, що деякі форми навчання активують певні мережі нейронів, які потім знову активуються при відтворенні збережених спогадів.
Однак дотепер не було відомо, чи утворюються енграми при навчанні руховим навичкам, а якщо так, то які зміни зазнають нейрони і їх мережі для формування енграм. На ці питання вирішили відповісти вчені зі Стенфордського університету (США). Стаття з описом результатів опублікована в журналі Neuron.
Автори навчили мишей діставати лапкою харчові гранули через невеликий проріз в клітці. За допомогою сучасних методів нейровізуалізації (іммунофарбування c-Fos) вчені змогли ідентифікувати нейрони, що активувалися під час процесу навчання, в первинній моторній корі головного мозку — області, відповідальної за управління рухами. Потенційні енграми позначили флуоресцентною міткою, щоб побачити, яку роль ці мережі нейронів відіграють під час згадування необхідного руху.
Короткий огляд схеми експерименту та результатів дослідження / © Fuu-Jiun Hwang et al, Neuron, 2022
Через кілька тижнів дослідники перевірили пам’ять тварин і виявили, що миші, все ще пам’ятали цей навик і без намаги справлялися із завданням, демонстрували підвищену активність в тих же самих нейронах, які вперше ідентифікували і позначили в період навчання. Значить, саме ці нейрони складають енграми пам’яті і відповідальні за формування навички. Більш того, вчені в реальному часі спостерігали, як «енграмні нейрони» перепрограмують себе в міру навчання гризунів.
Так, ці нейрони моторної кори обзавелися новими вхідними синапсами (місцями контакту між двома нейронами), через які приймається інформація про успішність виконання руху для його коригування, і самі сформували нові вихідні зв’язки у віддаленій області мозку, званої дорсолатеральним смугастим тілом (ДСТ). Це ключова область головного мозку, через яку нейрони енграм можуть здійснювати контроль над рухами тварини. Таким чином, дослідники вперше спостерігали створення нових синаптичних шляхів на одній і тій же популяції нейронів – як на вхідному (в первинній моторній корі), так і на вихідному рівні (в ДСТ).
© Stanford University
Ще одне важливе питання, на яке спробували відповісти вчені, полягало в наступному: чи потрібна активація лише певних енграмних нейронів для виконання вже вивчених рухових завдань. Пригнічуючи активність нейронів, які ідентифіковані як частина енграми пам’яті моторної кори, автори роботи переконалися, що миші все ж здатні виконувати поставлене рухове завдання. Отже, рухові спогади не тільки вкрай розосереджені, але і вельми надлишкові, що дозволяє краще зберігати спогади навіть при втраті частини нейронів мережі.
За словами дослідників, раз по раз повторюючи вивчені навички, ми постійно розвиваємо моторні енграми, створюючи нові синаптичні зв’язки, удосконалюючи навик і зміцнюючи пам’ять про нього.
Це якраз те, що мається на увазі під терміном «м’язова пам’ять» — надлишкова мережа рухових енграм, використовувана так часто, що пов’язаний з нею навик здається автоматичним (їзда на велосипеді, гра на фортепіано та гітарі, катання на ковзанах). Саме постійне повторення вважається однією з головних причин стійкості м’язової пам’яті до забування.
Надалі вчені планують з’ясувати, чи служить хвороба Паркінсона результатом блокування цих моторних енграм або їх повної втрати. У першому випадку пацієнти повинні мати можливість поліпшити свої рухові здібності, практикуючи і зміцнюючи м’язову пам’ять. Однак якщо хвороба руйнує моторні енграми і перешкоджає створенню нових — шляхом впливу на нейрони моторних енграм і їх синаптичний зв’язок, що спостерігається в новому дослідженні, — то для ефективного лікування доведеться використовувати зовсім інший підхід.