Довготривала пам’ять може зберігатися в мозку не так, як вважали раніше. Дослідження мишей у стані штучної сплячки показало, що важливішими за окремі міцні зв’язки між нейронами є вищі за рівнем просторові «візерунки» зв’язності в мережі мозку. Про це повідомляє Live Science.
Коли класична модель пам’яті дає збій
У нейронауці довго домінувала ідея, що спогади виникають і зберігаються завдяки посиленню синапсів — контактів між нейронами. Через процес, відомий як довготривала потенціація (LTP), нейрони, які часто активуються разом, починають передавати сильніші сигнали, а їхні «приймачі» — дендритні шипики — збільшуються в розмірах і кількості. Це перетворює певні синапси на міцні вузли пам’яті: «нейрони, які разом спалахують, разом і з’єднуються».
Співавтор роботи Кадзумаса Танака (Kazumasa Tanaka) з Окінаському інституту науки і технологій наголошує, що нові дані не заперечують важливість LTP для формування нових спогадів. Але, коли йдеться про їхнє довготривале утримання, LTP може бути не головним фактором. Останні роботи показують, що фізичні сліди пам’яті в мозку дуже динамічні: посилені раніше синапси можуть зникати за кілька днів, але самі спогади залишаються. Постає запитання — за рахунок чого.
Штучна сплячка як «стрес-тест» для пам’яті
Команда Танакі звернулася до явища сплячки. У природних зимосплячих тварин — наприклад, альпійських бабаків (Marmota marmota) чи європейських ховрахів (Spermophilus citellus) — під час сплячки мозок зменшується в об’ємі, а кількість зв’язків між клітинами різко скорочується. При цьому активність мозку й метаболізм падають, що вважають енергозберігальним механізмом.
Попри таке «обрізання» синапсів, тварини після пробудження зберігають спогади, сформовані до сплячки: впізнають родичів і запам’ятовують сховища їжі. Нова робота мала з’ясувати, що дозволяє пам’яті пережити таку масштабну перебудову мозку.
Дослідники зосередилися на гіпокампі — ключовому центрі обробки епізодичної пам’яті, тобто спогадів про конкретні події й власний досвід. Саме там нові спогади «народжуються», певний час зберігаються, а згодом поступово переносяться до інших ділянок мозку для надтривалого зберігання.
Лабораторним мишам спершу прищепили нові спогади в кількох експериментах. В одному разі тварин навчали пов’язувати певне оточення з легким електричним ударом у лапи. В іншому — запам’ятовувати розташування солодких гранул у лабіринті.
Після навчання мишей вводили у стан штучної сплячки на два дні, активуючи спеціальну групу нейронів, описану в попередніх роботах. Зміни в мозку починалися вже за кілька хвилин.
«Ми знали, що певна перебудова відбувається, але її масштаб виявився значно більшим, ніж очікували», — зазначає Танака. Уже за 30 хвилин кількість синапсів почала падати, а за 24 години, за словами дослідника, зникало понад половину всіх синапсів.
Більшість синапсів зникла, а спогади залишилися
Попри радикальні зміни в гіпокампі, миші після сплячки поводилися так, ніби нічого не забули. Опинившись знову в кімнаті, де раніше отримували удар струмом, вони завмирали на місці — типовий показник того, що тварина очікує загрозу. У лабіринті ж миші так само впевнено знаходили їжу, як і до сплячки.
Поведінка тварин, що проходили сплячку, не відрізнялася від контрольних мишей без неї, підкреслює Танака. Це означало, що різке скорочення синапсів саме по собі не руйнує вже набутих спогадів.
Щоб зрозуміти, чому так відбувається, дослідники порівняли мишей у сплячці з іншою групою, якій замість сплячки ввели тривалу анестезію й додали молекулу, що блокує здатність нейронів зміцнювати синапси. У цієї групи теж спостерігали значну втрату синапсів, але, на відміну від «сплячих» мишей, їхні спогади не збереглися.
Це вказало, що важлива не лише кількість втрачених зв’язків, а й те, які саме структури в мережі мозку переживають «чистку».
Кластери зв’язків як можливий слід пам’яті
При детальному аналізі мозку обох груп вчені виявили відмінність: у мишей у штучній сплячці певні кластери синапсів виявилися особливо стійкими. Ці вцілілі зони мали характерні риси.
По-перше, це були «вузли-ретранслятори», де один нейрон з аксоном, що передає сигнали, контактував одразу з кількома сусідніми клітинами, розсилаючи повідомлення цілій групі. По-друге, у живучих кластерах спостерігали щільне згрупування дендритних шипиків — точок прийому сигналів — які отримували інформацію від багатьох аксонам одночасно.
Такі «кластеризовані патерни енґрам» — структури, в яких шипики, пов’язані з тим самим спогадом, розташовані близько одне до одного й зв’язані з різними аксонами — значно рідше зникали під час сплячки. Під час анестезії ж, за словами Танакі, ці унікальні структури повністю руйнувалися.
Розмір окремих дендритних шипиків практично не впливав на виживання зв’язку. Вирішальним виявився саме просторовий візерунок — те, як шипики та аксони організовані в кластер.
На думку авторів, це свідчить, що для тривалого збереження пам’яті важлива топологія ширшої мережі — конфігурація зв’язків на вищому рівні, а не просто сила одиничних синапсів.
Що далі і для чого це може знадобитися
Дослідники підкреслюють, що про ці кластери поки відомо небагато. Зараз команда намагається описати їх на молекулярному рівні: з яких білків і механізмів вони складаються, як формуються й підтримуються. У перспективі вчені хочуть цілеспрямовано змінювати структуру таких кластерів і спостерігати, як це позначається на пам’яті тварин.
Ще одна важлива загадка — як саме мозок під час сплячки «вирішує», які кластери слід зберегти, а які синапси можна безпечно «обрізати» для економії енергії. Ці процеси зараз вивчають на рівні гіпокампа.
За словами Танакі, ці результати можуть бути корисними не лише для розуміння живої пам’яті. Знання про те, як мережа може радикально змінюватися, не втрачаючи закодовану інформацію, потенційно допоможе інженерам створювати нові способи зберігання даних у комп’ютерних системах.
Насамперед же робота розширює уявлення про те, як фізичні сліди пам’яті в мозку можуть бути вкрай мінливими, а самі спогади — напрочуд стійкими. Як підсумовує Танака, це дослідження лише «відкрило ще одні двері» до розуміння цього складного явища.