Миші у штучній сплячці не втратили спогади попри втрату зв'язків між нейронами в мозку

Під час штучно викликаної сплячки у мишей зникла понад половина зв’язків між нервовими клітинами у гіпокампі — частині мозку, що відповідає за пам’ять, однак після пробудження тварини зберегли раніше сформовані спогади. Раніше вважалося, що основою пам’яті є безпосередні зв’язки між нейронами, тож їхнє руйнування мало би зруйнувати й спогади. Але нове дослідження показало, що більш важливим фактором для збереження спогадів є збереження не окремих зв’язків, а загальної схеми контактів між групами нейронів, що їх кодують. Дослідження опублікували у журналі Science.

Чому вчені вирішили використати сплячку для дослідження пам’яті?

Тривалий час вважалося, що формування довготривалих спогадів пов’язане зі змінами у синапсах — контактах, через які нейрони передають сигнали один одному. Зокрема, в експериментах спостерігали, що під час навчання з’являється більше дендритних шипиків — дуже дрібних відгалужень коротких відростків нейронів, дендритів, за допомогою яких нейрони контактують з сусідніми нервовими клітинами, а також формуються енграми — групи нейронів, активність яких пов'язана зі збереженням та формуванням певних спогадів. Дослідження також показували, що штучна активація раніше сформованих енграм дозволяє відновити спогади, які здавалися повністю втраченими. Однак, з іншого боку, було також відомо, що зв’язки у мозку дуже динамічні — дендритні шипики постійно з’являються і зникають, активність нейронів змінюється, але спогади при цьому можуть лишатися цілком стабільними.

Однією з потенційно корисних моделей для вивчення роботи пам’яті є сплячка тварин — у цей період робота їхнього мозку гальмується на тривалий час, але при цьому їм вдається не втрачати сформовані раніше спогади. Тому японські науковці на чолі з дослідниками з університету Окінави вирішили дослідити, які механізми у мозку забезпечують збереження пам’яті під час сплячки.

Як досліджували роботу пам’яті під час сплячки?

Щоб з’ясувати, як тваринам вдається не втрачати спогади під час тривалого гальмування активності мозку, дослідники ввели мишей у штучну сплячку — стан зниження обміну речовин і температури тіла, який запускається хімічною активацією певної групи нейронів мозку. Така штучна сплячка імітує фізіологічні процеси, що відбуваються під час природної сплячки, але має значно меншу тривалість — близько 48 годин.

Дослідження зразків мозку різних тварин до, під час та після штучної сплячки за допомогою електронного мікроскопа показало, що під час сплячки дендритні шипики нейронів масово зникали, а щільність синапсів у гіпокампі скорочувалася на 52,5-57,2 відсотка. Водночас після виходу зі сплячки загальна щільність синапсів та кількість шипиків відновлювалися.

Далі вчені перевірили, чи вплине штучна сплячка на пам’ять мишей. Для цього перед сплячкою тварин навчали пов’язувати певне середовище з неприємним стимулом або знаходити винагороду в лабіринті, а потім давали їм це ж завдання за п’ять днів після пробудження. Виявилося, що тварини, які побували у сплячці, виконували завдання не гірше за контрольну групу, яку не вводили у сплячку — тобто, втрата синапсів не призводила до втрати пам’яті.

Далі науковці дослідили зміни в окремих дендритних шипиках за допомогою двофотонної мікроскопії — методу, що дозволяє спостерігати за змінами нейронів у живих тварин за допомогою флуоресцентних міток. Виявилося, що 82,1 відсотка шипиків, що відросли у період відновлення, з’являлися майже там же, де і були спочатку. Тобто, мозок відбудовував мережу зв’язків дуже близько до попередньої конфігурації.

Однак відростання шипиків не могло повністю пояснити механізм збереження пам’яті. Тому дослідники використали ще один спосіб перебудови синапсів: ввели мишей у тривалий стан анестезії та ввели їм препарат, що порушував будову актинового цитоскелета нейронів — внутрішнього каркаса клітин, що підтримує їхню форму. Хоча навіть за таких умов синапси відновлювалися після зникнення, пам’ять тварин погіршувалася. Виявилося, що таке втручання зменшувало кількість зв’язків між групами енграмних нейронів, тоді як штучна сплячка таких змін не спричиняла.

Як це дослідження змінює уявлення про збереження спогадів?

Автори зробили висновок, що спогади зберігаються не завдяки конкретним синапсам, а завдяки збереженню загального способу з’єднання груп нейронів між собою та з сусідніми клітинами. Тобто, загалом результати дослідження узгоджуються з ідеєю ядра енграми — схоже, що пам’ять може спиратися на невелику, але стійку схему з’єднань, яка задає правила для відновлення ширшої мережі після порушення. Якщо це справді так, у подальших експериментах можна буде з’ясувати, які саме структури потрібні для запису спогадів, а які — для їхнього тривалого збереження.

Що відомо про роботу пам'яті

😴💾 Дослідження показали, що протягом навчання в мозку під час сну активуються групи нейронів, що наступного дня зберігатимуть спогади. Раніше вважалося, що під час сну мозок лише закріплює вже наявні спогади.

🧪⚡ Високий рівень статевого гормону естрогену в мозку змусив мишей сильніше запам’ятати травматичні події через збільшення нейропластичності.

🐭✨ Молекула ацетат, яка утворюється в клітинах внаслідок розщеплення глюкози та спирту, покращила довготривалу пам’ять у самиць мишей, але не в самців.

🐚⏳ Перерва в добу між двома епізодами навчання посилила довготривалу пам’ять у молюсків, званих морськими зайцями.

💤🔄 Штучне «вимкнення» ділянок мозку, яке імітувало активність мозку під час сну, відновило пам’ять у мишей із недосипом.