Как появляется воспоминание?

Какие физические изменения происходят в мозге при формировании воспоминания? Группа исследователей из Университета Южной Калифорнии впервые ответила на этот вопрос. После шести лет исследований они обнаружили, что обучение заставляет синапсы – связи между нейронами – увеличиваться в одних областях и исчезать в других, а не просто изменять их силу, как это было принято считать. Эти изменения в синапсах могут помочь объяснить, как формируются воспоминания и почему одни виды воспоминаний сильнее других. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Синапсы данио-рерио, выделенные микроскопом при флюоресцентной микроскопии. Credit: USC


Исследование стало возможным благодаря новому типу маркировки клеток и изготовленному на заказ микроскопу, созданному в Университете Южной Калифорнии. Также исследователи разработали передовой способ отслеживания и архивирования собранных данных, чтобы сделать выводы максимально доступными и воспроизводимыми. До их работы было невозможно определить местоположение синапса в живом мозге без изменения его структуры и функций, что в свою очередь делало невозможным сравнение мозга «до» и «после» формирования воспоминания.

Исследователи смогли определить силу и расположение синапсов до и после обучения в мозгу живой рыбки данио-рерио, которая обычно используется для изучения работы мозга. Рыбки данио достаточно велики, чтобы иметь вполне сформированный мозг, но достаточно малы, прозрачны и быстро растут, чтобы было удобно проводить работы на живом мозге. Поддерживая рыбу в живом состоянии и не подвергая ее инвазивным вмешательствам, они смогли сравнить синапсы в одном и том же мозге с течением времени при обучении.

Ученые обучали 12-дневных рыб ассоциировать включение света с нагревом головы инфракрасным лазером. Рыбки стремились избежать это неприятное для них воздействие, пытаясь уплыть. Те животные, которые научились ассоциировать свет с приближающимся лазером, махали хвостом, показывая нужное поведение избегания. 

Через пять часов обучения команда смогла наблюдать и фиксировать значительные изменения в мозге этих рыбок. В дополнение к этому новому подходу удалось создать и новые методы изменения ДНК рыб, благодаря которым синаптическая сила и расположение синапсов могли количественно измеряться с помощью флуоресцентного белка, который светится при флуоресцентной микроскопии.

«Наши зонды (меченые ДНК фрагменты) могут маркировать синапсы в живом мозге, не изменяя их структуру или функцию, что было невозможно с помощью предыдущих инструментов», — отмечают авторы.

Это позволило с помощью специализированного микроскопа, разработанного командой из Университета Южной Калифорнии, сканировать мозг и эффективно отображать расположение синапсов. Исследователи смогли наблюдать изменения у живых животных и получать изображения изменений до и после на одном и том же образце. Ранее измерения проводились на образцах, посмертно изъятых у животных, поэтому можно было сравнивать только два разных мозга: один в обученном состоянии, а другой – нет.

Главный вывод при анализе этих изображений: вместо изменения силы существующих синапсов синапсы в одной части мозга разрушались, и совершенно новые синапсы создавались в другой области мозга. Результаты показывают, что изменения в количестве синапсов кодируют воспоминания в эксперименте и могут помочь объяснить, почему негативные ассоциативные воспоминания (например, при посттравматическом стрессовом расстройстве) настолько сильны.

«Считалось, что формирование памяти в основном связано с ремоделированием существующих синаптических связей, тогда как в этом исследовании мы обнаружили и образование, и устранение синапсов. При этом мы увидели лишь небольшие случайные изменения синаптической силы существующих синапсов. Это может быть связано с тем, что исследование было сосредоточено на ассоциативных воспоминаниях, которые гораздо более устойчивы, чем другие воспоминания, и формируются в другом месте мозга, миндалевидном теле, а не в гиппокампе, как большинство других воспоминаний. Это может иметь отношение к посттравматическому стрессовому расстройству, которое, как считается, опосредуется формированием ассоциативных воспоминаний», -говорят авторы.


Текст: Анна Цой

Regional synapse gain and loss accompany memory formation in larval zebrafish by William P. Dempseya, Zhuowei Dua, et al. In PNAS. Published January 14, 2022.

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2107661119