Это вторая часть большой нейроновости, которая описывает результаты статьи ученых из Японии. Благодаря технологии CALI ученые смогли продемонстрировать этапы формирования эпизодической памяти. Они показали, что ее зарождение происходит в гиппокампе, активно идет в момент сна с помощью повторного проигрывания запоминаемого события и затем окончательно стабилизируется уже в новой коре. Известные идеи получили свое подтверждение.
Credit: avatars.mds.yandex.net
В предыдущей нейроновости мы рассказали о том, как работает технология CALI и как ученые проверили ее эффективность при стирании энграмм памяти.
CALI стирает память у мышей
Убедившись в эффективности технологии, ученые применили ее в поведенческих тестах, чтобы проверить, как она может стирать эпизодическую память мышей.
Исследователи обучали мышь избегать определенной части клетки. Они помещали животное в светлую часть клетки. Затем перед мышью открывалась дверка, за которой находилась темная часть клетки. Через некоторое время (время ожидания), мышь переходила на темную сторону. Однако как только она наступала на пол в темной части, на нее воздействовали током. Негативное подкрепление помогало мыши обучиться тому, что темную часть клетки нужно избегать.
Credit: Goto et al / Science 2021
На следующий день мышь вновь помещалась в ту же самую клетку. Перед ней открывалась дверь в темную часть. Чтобы перейти в нее, мыши требовалось время. И это время ожидания было больше, чем в первый день. Это свидетельствует о том, что мышь усвоила урок. Если же мыши в первый день не получали удара током (контрольная группа), то во второй день они, наоборот, демонстрировали меньшее время ожидания, чем в первый день.
Придумав такой нехитрый поведенческий эксперимент, ученые решили применить технологию CALI для мышей в экспериментальной группе. В первый день, когда мышей помещали в клетку, после чего те переходили на темную сторону силы клетки и получали удар током, их затем стимулировали с помощью CALI. На следующий день эти мыши переходили в темное пространство также быстро, как и мыши из контрольной группы. То есть воспоминания о негативном событии у них не формировалось.
Если на второй день эксперимента вновь ударить мышь током, но затем не применять CALI, то на третий день мышь будет избегать темной стороны клетки. При этом эффект наблюдается только в том случае, если воздействовать на нейроны, содержащие комплекс CFL-SN.
Вывод 1: CALI успешно стирает воспоминание, сохраняя возможность нейронов записывать дальнейшие события.
В следующем эксперименте ученые проверили, что будет, если после электрического воздействия на мышь применять CALI в разные временные промежутки. Так же, как и в первой части статьи, где мы описывали, как ученые проверяли технологию, исследователи стимулировали нейроны через 2, 5, 10, 20, 60 и 120 минут, а также за минуту до воздействия током. Результаты можно видеть на графике: память стиралась только в определенный промежуток времени. Уже через час воздействие CALI не изменяло наше воспоминание.
Вывод 2: воздействие с помощью CALI на гиппокамп эффективно в первый час после события.
Затем ученые смотрели, как CALI будет изменять память на контекст. Для этого в первый день мышь помещали в одну клетку, а во второй — в другую. Клетки могли отличаться текстурой, формой, размерами. Мышь обучали в первой клетке. Через 2 часа помещали во вторую. Животное спокойно переходило в темную часть второй клетки (понимая, что это другая клетка и не ассоциируя негативное воспоминание с ней), но не совершала такого действия в первой. Это означает, что мышь понимала, что находится в разных контекстах.
Credit: Goto et al / Science 2021
Затем ученые проделывали следующее: в клетке А мышь получала удар током. Затем в клетке Б она получала и удар током, и стимуляцию с помощью CALI. На второй день мышь в клетке А длительное время раздумывала, нужно ли ей переходить на темную сторону. То есть для клетки А формировалась память. Но в клетке Б период ожидания был значительно меньше. То есть память не формировалась, как видно из графика выше.
Вывод 3: CALI позволяет стирать определенные воспоминания, а не воздействует на всю структуру памяти.
Память мышонка, как, вероятно, и человеческая память, начинает формироваться в гиппокампе. Через некоторое время гиппокамп переводит память в стабильную форму, сохраняет воспоминание в неокортексе.
Известно, что после того, как произошло какое-то событие, группа нейронов в гиппокампе кодирует это событие характерным паттерном активности. Через некоторое время, когда событие уже в прошлом, гиппокамп вдруг начинает вновь проигрывать это событие (только быстрее). Таким образом, он как бы повторяет его. А повторение, как известно — мать учения.
Первая активность нейронов гиппокампа называется онлайн активностью. Вторая — оффлайн (то есть без самого события). Ученые с помощью технологии CALI решили проверить, возможно ли стереть память при оффлайн потенциации.
Для этого мышей через два часа после обучения стимулировали светом (CALI). Стимуляция проводилась через каждые 20 минуты. Одну группу стимулировали в течение первых четырех часов (спустя два часа после обучения), вторую — в течение вторых четырех часов, третью — восемь часов подряд. Ученые обнаружили, что память после любого такого воздействия была стертой. Если во второй день вновь обучить мышь и не применять стимуляцию, воспоминание формировалось.
Вывод 3: локальная оффлайн активность в гиппокампе служила основной воспоминания. Такая активность протекает спустя два часа и вплоть до следующего дня.
Ученые не остановились на этом и решили проверить, что происходит с нашей памятью во время сна. Они с помощью электроэнцефалограммы и электромиограммы определяли, бодрствует ли животное или же спит. Если мышь спала, то на ее нейроны оказывали воздействие с помощью CALI.
На следующий день после такого воздействия память оказывалась стертой. Если же CALI применялась в период бодрствования, нарушения памяти не наблюдалось. Влияние на сон на второй день также не приводило к стиранию воспоминания.
Вывод 4: память стабилизируется во сне в первый день после события. Это происходит в гиппокампе.
И это еще не все! Ученые решили с помощью наблюдения за уровнем ионов кальция в клетках определить, какое влияние оказывает онлайн и оффлайн активность гиппокампа на формирование памяти. Что важнее: оффлайн или онлайн?
Они измеряли уровень ионов кальция в первый день, когда мышь находилась в клетке без воздействия током. На второй день мышь помещали в ту же клетку: как только она переходила на темную сторону, ее били током. В одной группе мышей через 2 минуты нейроны, которые показывали высокую активность, освещали светом. В другой группе ученые освещали активные нейроны через 2 часа после события с частотой — 3 раза в час.
Таким образом, в одной группе воздействие оказывалось на онлайн этап долговременной потенциации, а в другой — на оффлайн. Контрольная группа мышей получала удар током, но не получала свою порцию CALI. На третий день мыши вновь помещались в клетку и проходили тест. В этот момент ученые повторно измеряли уровень ионов кальция.
Credit: Goto et al / Science 2021
Оказалось, что нейроны, которые не подвергались воздействию током, показывали слабую активность на следующие дни. У мышей, которые подвергались воздействию, но не получали стимуляцию CALI, нейроны активировались сильнее. Если же на эти нейроны подействовать с помощью CALI — их активность уменьшалась. Самое интересное заключалось в том, что активность наблюдалась в строго определенных нейронах. То есть мозг мыши использовал избирательную активность нейронов на онлайн этапе. Затем, на оффлайн этапе, эта активность повторялась, вовлекая дополнительные нейроны.
Эти нейроны демонстрировали синхронную активность. После воздействия током эта активность увеличивалась. Строго определенные нейроны формировали синхронизированную сеть, которая содержала воспоминание о негативном событии. В группе, где применялась CALI, синхронизация уменьшалась.
Вывод 5: онлайн-потенциация формирует след памяти в виде синхронной активности группы нейронов. Оффлайн потенциация закрепляет эту активность.
А что же происходит с воспоминаниями на следующие дни? Почему воздействие CALI на сон во второй день не дало никакого результата? Принято считать, что след памяти дальше переходит в новую кору. Часто при помещении мышей в знакомую клетку на следующие дни, у них наблюдается повышенная активность в передней поясной извилине (ACC).
Credit: frontiersin.org
Первое, что сделали ученые — проверили временное окно формирования памяти в ACC. Они стимулировали ACC спустя 2 минуты после события (то есть когда память по идее находится в гиппокампе) или каждые 20 минут (до 8 часов после события). Такое воздействие не приводило к потере памяти (как видно на графике ниже). И это логично — воспоминание все еще находится в гиппокампе.
Credit: Goto et al / Science 2021
Если стимулировать ACC с помощью CALI каждые 20 минут на второй день после обучения, а затем тестировать память на третий день, то нарушения памяти будут обнаружены. Получается, что на второй день след памяти мигрирует из гиппокампа в ACC. Однако, стимуляция на 25-ый день никакого результата не даст.
Credit: Goto et al / Science 2021
Таким образом, если обучить животное на первый день, а затем стимулировать ACC с помощью CALI на 25-ый день, никакого эффекта не будет. Видимо, в этот момент память уже приобретает очень стабильную форму, на которую CALI повлиять не может.
Вывод 6: на второй день память переходит в ACC, где продолжает консолидироваться.
По сути ученые подтвердили уже известные факты о памяти с помощью новой технологии. CALI успешно тормозила раннюю стадию долговременной потенциации.
Ученые показали, что существует два этапа долговременной потенциации в гиппокампе: онлайн и оффлайн. Первая способствует появлению отдельных групп нейронов, кодирующих конкретное событие. Вторая — вовлекает в синхронную активность дополнительные нейроны, что способствует упрочнению следа памяти.
Третья стадия происходит уже в новой коре. Переход воспоминания в неокортекс начинается во время сна на следующий день. В этот момент долговременная потенциация в гиппокампе исчезает, а энграмма появляется в коре (ACC). При том характерная для кодируемого события нейрональная активность тоже мигрирует в новую кору: мозг словно постоянно повторяет информацию. Это приводит к окончательной консолидации памяти.
Текст: Никита Отставнов
Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation by Akihiro Goto, et al in Science. Published November 2021.
10.1126/science.abj9195
