Обнаружены клетки головного мозга, определяющие, какие воспоминания сохраняются

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили, что звездообразные клетки головного мозга, называемые астроцитами, помогают определять, сохранится ли долговременная память, а не просто поддерживают нейроны, которые ее хранят. У мышей удаление одного белка из этих клеток не нарушало воспоминания, сохранившиеся за один день, в то время как воспоминания двухнедельной давности незаметно исчезали.

Это открытие разделяет две вещи, которые, как долгое время считалось, мозг обрабатывает вместе: формирование памяти и ее сохранение во времени. Это также дает ученым новую цель для исследования потери памяти, наблюдаемой при старении и заболеваниях, — цель, которая находится за пределами нейронов.

Руководит группой исследователей Ухён Ко из Института фундаментальных наук (IBS) в Тэджонe, Южная Корея. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

На протяжении десятилетий исследования памяти были сосредоточены на нейронах — клетках, которые передают и обрабатывают сигналы. Астроциты рассматривались как пассивный каркас. Чтобы проверить, выполняют ли астроциты какие-либо другие функции, команда исследователей вывела мышей, у которых отсутствовал белок анкирин-2, или Ank2, именно в этих клетках. Ank2 обнаруживается в астроцитах в таких же высоких концентрациях, как и в нейронах, однако никто не задавался вопросом, какую роль он там играет.

Поначалу ничего подозрительного не наблюдалось. Мыши, подвергшиеся модификации, двигались и взаимодействовали со своими сородичами в клетке нормально. Однако через день после легкого шока в экспериментальной клетке они замерли, вернувшись в нее — обычный признак того, что сформировалась новая память.

Две недели спустя ситуация изменилась. Мыши, у которых в астроцитах отсутствовал Ank2, при возвращении в ту же клетку проявляли гораздо меньше признаков замирания, чем обычные животные, как будто память ослабла. Недавняя память была в порядке. Проблема заключалась в способности мозга сохранять воспоминания во времени.

За угасанием воспоминаний стояло нечто физическое. Когда исследователи изучили астроциты, лишенные Ank2, оказалось, что клетки втянулись внутрь. Их ветви были короче и их было меньше, а общий объем меньше, что делало их менее способными достигать точек соединения нейронов.

Это отступление чаще всего проявлялось в одном конкретном наборе связей. После обучения астроциты обычно прикасаются к нейронам энграммы — клеткам, которые хранят определенную память. Эти новые контакты помогают сохранить память. У мышей с дефицитом Ank2 таких контактов образовалось гораздо меньше.

Сами нейронные цепи также с трудом сохраняли свою прочность. Когда нейроны многократно активируются одновременно, их связи укрепляются и сохраняются, что является устойчивым изменением, рассматриваемым как клеточная основа памяти. У генетически модифицированных мышей это усиление сначала проявлялось, а затем, вместо того чтобы сохраняться в течение нескольких часов, исчезало.

Всё большее распространение получает представление о том, что астроциты принимают активное участие в хранении памяти. В недавнем исследовании было описано образование группами таких клеток стабильного многодневного следа, который помогает поддерживать память, что указывает на то, что они несут в себе собственную запись памяти. Новая работа дополняет недостающий элемент, давая название белку, на котором опирается весь процесс.

Ank2 выполняет функцию якоря. Внутри астроцита он удерживает на месте другой белок, который высвобождает кальций, когда клетка получает определенный сигнал роста. Этот сигнал исходит от BDNF, молекулы, которую мозг вырабатывает после обучения, чтобы способствовать формированию нейронных связей.

Без Ank2 эта цепочка разрушилась. Активность кальция внутри астроцитов снизилась, клетки перестали отращивать тонкие выросты, которые они обычно отращивали. Их связь с расположенными рядом соединениями ослабла. Сигнал роста поступал, но астроцит больше не мог на него реагировать.

Команда смогла увидеть эффект, добавив сигнал роста напрямую: инъекция BDNF в гиппокамп — область мозга, наиболее связанную с этим типом памяти, — примерно через 12 часов после обучения обычно повышает устойчивость памяти. У мышей с дефицитом астроцитарного Ank2 та же инъекция не дала никакого результата.

Ничто из этого не зависело от базовых электрических процессов в астроцитах, которые оставались в норме. Проблема заключалась исключительно в механизме, позволяющем этим клеткам реагировать и восстанавливаться. Это тот же самый тонкий молекулярный контроль, который, согласно другим исследованиям, определяет продолжительность сохранения памяти.

Удаление белка позволяет понять, что клетка не может делать без него. Чтобы выяснить, на что способны астроциты при обратном воздействии, команда создала управляемый светом инструмент, который они назвали Opto-T1.

Когда на астроциты попадает синий свет, он активирует сигнальный путь роста. Через 12 часов после легкой тренировки исследователи направили свет на животных в их клетках. Астроциты разрослись, и две недели спустя мыши вспомнили это событие гораздо лучше, чем животные, не подвергавшиеся воздействию. Недавняя память осталась нетронутой. Само по себе увеличение активности астроцитов было достаточным для того, чтобы память сохранилась.

Результаты исследования переписывают представление о функциях клетки, которая, как считалось ранее, выполняет лишь функцию поддержания работоспособности. «Наши данные показывают, что астроциты — это не пассивные клетки поддержки, а активные регуляторы, определяющие продолжительность сохранения воспоминаний», — сказал Ко.

Проблема выходит за рамки лабораторных исследований. Ген Ank2 уже выявляется при аутизме, умственной отсталости и эпилепсии. Ослабленные астроциты также могут способствовать потере памяти, которая возникает с возрастом и при заболеваниях.

Другие исследования, изучающие взаимодействие нейронов и астроцитов для сохранения долговременной памяти, следуют тому же пути, ориентируясь на клетку-партнера, долгое время считавшуюся фоновой.

То, что раньше было расплывчатым, теперь стало конкретным. Память не просто сохраняется нейронами и остается без внимания; астроциты продолжают работать еще долго после того, как научились сохранять ее в стабильном состоянии, и Ank2 — это белок, который позволяет им это делать.

Это открывает возможность исследования нарушений памяти вне нейронов, а также предоставляет метод диагностики с использованием света. Следующий вопрос заключается в том, можно ли заставить те же самые клетки защищать память не только у мышей, но и у людей.