Центр памяти в мозге изначально «переполнен», а затем «обрезается»

Фото из открытых источников

Недавно обнаруженный процесс развития показывает, что первичный центр памяти мозга изначально имеет избыток запутанных, случайных связей, которые постепенно отсеиваются, образуя высокоструктурированную, эффективную сеть по мере роста животного. Эти физические и функциональные изменения оптимизируют способность мозга хранить и извлекать воспоминания на протяжении всей жизни. Исследование, подробно описывающее эту трансформацию, было недавно опубликовано в журнале Nature Communications.

Гиппокамп — это область головного мозга, имеющая форму морского конька и расположенная глубоко в мозге, которая отвечает за формирование памяти и пространственную навигацию. В этой области находится специализированная нейронная сеть, называемая сетью CA3. Эта область действует как система автоассоциативной памяти, то есть помогает мозгу воспроизводить целое воспоминание, используя лишь крошечный фрагмент информации. Например, эта сеть позволяет человеку вспомнить всю кухню своего детства, просто по запаху одной-единственной специи.

Для достижения этой цели нервные клетки в этой области обмениваются информацией посредством электрических и химических соединений, называемых синапсами. Эластичность мозга позволяет этим связям со временем становиться сильнее или слабее по мере того, как животное учится чему-то новому. Хотя исследователи понимают, как эта сеть функционирует во взрослом мозге, то, как она физически формируется после рождения, остается неясным.

Исследователи из Австрийского института науки и технологий хотели понять, как развивается эта жизненно важная сеть памяти. Их подход основывался на двух конкурирующих философских и биологических моделях. Первая модель — это теория tabula rasa, или теория «чистого листа». Эта концепция предполагает, что мозг изначально имеет очень мало связей и постепенно наращивает их по мере того, как животное познает мир.

Противоположная модель — это tabula plena, или теория полного листа. В этом сценарии мозг изначально имеет избыток связей, которые постепенно сокращаются, оставляя только самые необходимые пути. Нейробиолог Виктор Варгас-Барросо возглавил исследование, чтобы выяснить, какая модель правильно описывает развитие гиппокампа. Варгас-Барросо работал вместе с Питером Йонасом, профессором биологических наук в институте, над картированием нейронных сетей головного мозга мыши.

Чтобы проследить структуру нейронных связей в этой области мозга, исследовательская группа изучила мозг мышей на трех различных стадиях развития. Они исследовали мышей вскоре после рождения, в подростковом возрасте и во взрослом возрасте. Команда использовала передовую методику регистрации, называемую многоклеточной патч-клемп-регистрацией. Этот метод позволил им одновременно отслеживать крошечные электрические сигналы до восьми отдельных нервных клеток.

Стимулируя одну клетку и отслеживая реакции других, команда смогла точно определить, какие нейроны взаимодействуют друг с другом. Чтобы физически увидеть эти связи, они заполнили клетки специальным красителем. Это позволило исследователям реконструировать трехмерные модели нервных клеток с помощью микроскопов высокого разрешения. В общей сложности они протестировали более семи тысяч потенциальных связей между нервными клетками.

В ходе этого процесса картирования исследователи наблюдали масштабные изменения в структуре связей между клетками. У самых молодых мышей нервные клетки были плотно упакованы связями, которые, казалось, формировались случайным образом. По мере взросления мышей общее количество связей уменьшалось. Сеть трансформировалась из сильно локализованной и плотной в разреженную, широко распространенную и высокоструктурированную.

«Это открытие оказалось довольно неожиданным, — сказал Йонас. — Интуитивно можно было бы ожидать, что сеть будет расти и становиться плотнее со временем. Здесь же мы видим обратное. Она следует тому, что мы называем моделью обрезки: она начинается с полной сети, а затем становится более упорядоченной и оптимизированной».

Физическая форма нейронов также неожиданно изменилась. Нервные клетки имеют два основных типа ответвлений: аксоны, передающие сигналы, и дендриты, принимающие их. Команда обнаружила, что аксоны, передающие сигналы, на самом деле становились короче и менее сложными по мере старения животного.

Напротив, дендриты, принимающие сигналы, продолжали расти и развивать все больше рецепторных участков. Это означает, что процесс обрезки был в значительной степени односторонним, в основном затрагивая исходящие коммуникационные кабели нервных клеток. У взрослых мышей оставшиеся аксонные соединения сгруппировались в специфические, специализированные участки, а не были равномерно распределены.

Помимо физических связей, команда обнаружила существенное изменение в способе передачи электрических сигналов клетками. В незрелом мозге одиночные связи между клетками были невероятно сильными. Одного сигнала от одного нейрона часто было достаточно, чтобы заставить принимающую клетку испустить собственный электрический импульс. Исследователи называют это эффектом, близким к взрыву.

У взрослых мышей эти индивидуальные связи значительно ослабли. Одного входящего сигнала уже было недостаточно для запуска реакции в принимающей клетке. Вместо этого взрослой нервной клетке требовались одновременные сигналы от множества разных соседних клеток для достижения порога возбуждения.

Этот сдвиг означает, что зрелый мозг полагается на интеграцию множества фрагментов информации одновременно, а не на сильную реакцию на один входной сигнал. Мозг переходит от системы, основанной на времени, к системе, которая обнаруживает пространственные совпадения. Чтобы увидеть, как эти физические изменения повлияли на память, исследователи создали компьютерную симуляцию сети из ста тысяч нейронов.

В ходе компьютерного моделирования исследователи проверили, как различные типы связей влияют на способность сети воспроизводить сохраненные шаблоны. Результаты показали, что переход от плотной, высокореактивной сети к разреженной, более слабой и широкой сети фактически максимизирует емкость памяти системы. Специализированная сеть со слабыми связями оказалась гораздо более эффективной в извлечении информации.

Йонас предполагает, что наличие обширной сети связей позволяет нейронам быстро соединяться на ранних стадиях развития. Этот участок мозга не просто хранит визуальную, обонятельную или звуковую информацию изолированно. Он связывает все эти сенсорные сигналы воедино, образуя целостную память.

«Это сложная задача для нейронов», — объяснил Йонас. «Первоначально высокая степень связности, за которой следует избирательное сокращение, может быть именно тем, что обеспечивает эту интеграцию». Без этой плотной отправной точки нейроны находились бы слишком далеко друг от друга, чтобы найти друг друга, что сделало бы коммуникацию практически невозможной.

Хотя эти результаты дают новое понимание созревания мозга, исследование имеет несколько ограничений. Исследователи проводили картирование на тонких срезах мозговой ткани. Поскольку они изучали только определенные срезы, они не смогли наблюдать дальние связи, проходящие по всему мозгу. Точные биологические механизмы, управляющие физической обрезкой аксонов, также остаются невыясненными.

В будущих исследованиях необходимо будет изучить, что именно запускает этот процесс избирательной обрезки. Ученые предполагают, что специализированные иммунные клетки в мозге могут действовать как биологические ножницы, отсекающие лишние связи. Определенные типы ингибиторных нервных клеток, развивающиеся в подростковом возрасте, также могут играть роль в этом физическом перестроении.

Исследователи также хотят использовать методы прижизненной визуализации, чтобы наблюдать за появлением и исчезновением отдельных синапсов с течением времени в живом организме. Эта прижизненная визуализация может показать, запрограммированы ли структурированные паттерны, наблюдаемые в мозге взрослых животных, генетически или сформированы повседневным жизненным опытом животного. В настоящее время неясно, как мозг определяет, какие связи сохранять, а какие разрывать.

Полученные результаты также могут пролить свет на развитие человека. Эпизодическая память у людей формируется относительно поздно, примерно через два года после рождения. Этот этап развития примерно совпадает с временными рамками развития подростковых мышей в данном исследовании.

Эта хронология может помочь объяснить детскую амнезию, то есть неспособность взрослых помнить события из своих ранних лет. Воспоминания могут формироваться в плотной ранней нейронной сети, но становятся недоступными, как только мозг обрезает свои связи. Для подтверждения того, следуют ли наши собственные воспоминания точно такому же пути развития, необходимы дальнейшие исследования человеческого мозга.