Половина синапсов мозга у мышей исчезла, но воспоминания сохранились

Фото из открытых источников

Искусственная спячка привела к тому, что мыши потеряли более половины синапсов в гиппокампе, однако их память сохранилась, что ставит под сомнение представления о долговременной памяти. Полная версия исследования была опубликована в журнале Science.

Воспоминания многолетней давности всё ещё остаются, даже если их поискать. Многие из связей, связанных с их сохранением, уже не те. Клетки головного мозга постоянно образуют и разрывают соединения между собой, и именно в этих соединениях, называемых синапсами, должна храниться память.

Команда Казумасы Танаки из Окинавского института науки и технологий погрузила мышей в искусственную спячку и наблюдала за процессом.

Более половины синапсов в гиппокампе, области мозга, важной для запоминания мест и событий, исчезли. Клетки в этом гиппокампе активировались примерно на 70% реже. Спустя пять дней после того, как животные освоились, они вспомнили то, чему научились раньше. Это указывает на нечто иное, чем ответ из учебника.

«Это означает, что стабильность памяти может не требовать сохранения неизменной всей окружающей синаптической сети. Вместо этого она может зависеть от сохранения относительно небольшого, но критически важного подмножества связей и, что немаловажно, от способа организации этих связей», — говорит Танака.

Повторное использование укрепляет синапс. На принимающей стороне вырастает небольшой бугорок, называемый шипиком, а больший бугорок обычно указывает на более прочное соединение.

На протяжении десятилетий этот рост считался ключевой частью физического следа памяти. Считалось, что если найти увеличенные шипы, то найдено и воспоминание. У этого следа есть собственное название: энграмма — это особый набор ячеек и связей между ними, которые хранят в себе одно воспоминание.

Однако шипы недолговечны. Исследователи, наблюдавшие за одними и теми же ветвями в течение нескольких дней, видели, как они появлялись и исчезали, а характерные для одного и того же места изменения активности происходили в течение одного и того же промежутка времени.

Воспоминание, для которого изначально требовались увеличенные корешки, должно было бы исчезнуть по мере переворачивания. Но этого не происходит.

Было обнаружено, что некоторые виды животных, впадающие в спячку, помнят то, чему научились до зимы, даже несмотря на то, что их мозг в течение нескольких месяцев практически неактивен.

Именно это сочетание факторов заставило Танаку, главу подразделения исследований памяти OIST, временно прекратить использование своих инструментов.

В 2020 году группа исследователей под руководством Такеши Сакураи из Университета Цукуба обнаружила нейронные цепи в мозге, которые вводят мышь в состояние, подобное спячке.

Активация небольшой группы клеток в глубине мозга снижает температуру тела и метаболизм мыши примерно на два дня. Позже группа Сакураи пригласила Танаку к сотрудничеству. «Наш мозг невероятно сложен. Если гибернация может уменьшить и упростить мозговую активность и структуру, это может немного облегчить изучение этих запутанных систем. Именно поэтому я хотел использовать методы искусственной гибернации для изучения воспоминаний», — объясняет Танака.

Команда научила мышей бояться одной комнаты, но не бояться другой, а других научила проходить лабиринт до получения награды. Затем наступила спячка.

При повторном тестировании после восстановления, мыши, находившиеся в спячке, замерзали в камере с шоковой терапией, а не в нейтральной, с той же скоростью, что и раньше. Мыши, проходившие лабиринт, делали это так же хорошо, как и мыши, которые никогда не охлаждались.

Записи активности отдельных клеток подтвердили это. Клетки, которые активировались в определенных точках на треке, активировались в этих же точках и впоследствии. Участок трека, на который реагировала каждая клетка, был меньше, чем раньше, что позволило получить более точную карту.

«Это было поразительно. Логично предположить, что если бы все наши энграммные синапсы были необходимы для сохранения памяти, как традиционно считалось, память должна была бы значительно ухудшиться», — объясняет соавтор исследования Ю-Джу Лин.

«Учитывая масштаб этих функциональных и структурных изменений, мы изначально ожидали, по крайней мере, некоторого ухудшения качества хранимой информации», — говорит Танака.

Чтобы выяснить, что сохранилось, команда пометила только синапсы, соединяющие клетки с метками памяти, и сравнила их с образцами мозга. Количество этих синапсов, соединяющих клетки с энграммами, сократилось во время спячки, как и всех остальных.

Сгруппированные, плотно расположенные синапсы на ветви сохранились при своей нормальной плотности, а количество разрозненных синапсов сократилось. При более детальном изучении с помощью светового и электронного микроскопов была получена первая энграмма, исследованная таким образом.

Треть сгруппированных шипиков энграммы достигала выходного узла, который также соприкасался с шипиками других клеток. Среди случайно выбранных синапсов у мышей, которые никогда не впадали в спячку, это произошло примерно в 3% случаев. Сохранившиеся скопления шипов не состояли из необычно крупных шипов. Их шипы были меньше, чем соседние шипы на той же ветви, что противоречит предсказаниям теории укрепления.

Большинство утраченных шипов восстановились. По мере того, как мыши согревались, новые шипы появлялись в тех же местах вдоль ветки, где исчезли старые, в 82% случаев, против 17%, ожидаемых случайным образом. Сеть восстановилась, приблизившись к своему прежнему виду. Однако одной лишь этой перестройки оказалось недостаточно для сохранения памяти.

Вторая группа мышей подвергалась анестезии в течение шести часов в каждый из двух дней, а также получала препарат, блокирующий каркас, на котором строится позвоночник. Они теряли синапсы, затем восстанавливали их, но всё равно проваливали тест на память, и уровень синапсов кластерной энграммы оставался низким.

«Важное открытие заключается в том, что само по себе возвращение дендритных шипиков недостаточно для сохранения памяти», — говорит Танака.

Команда Танаки не доказала, что именно кластеры вызывают эффект восстановления памяти. Кластерные синапсы сохранились у мышей, которые запомнили информацию, и исчезли у мышей, у которых этого не произошло, что является совпадением, а не механизмом.

В каждый эксперимент включали от трех до десяти мышей, и ни один из этих результатов не был продемонстрирован на человеке. Танака и Лин указаны в качестве изобретателей в находящейся на рассмотрении заявке на патент США, охватывающей терапевтическое применение искусственной спячки.

Танака поясняет, что решающим испытанием станет разрушение этих кластеров при сохранении остального сегмента сети в целости, после чего будет проверено, исчезнет ли память. Обратный эксперимент имеет не меньшее значение. Восстановите кластеры у животного, потерявшего память, и посмотрите, восстановится ли её воспроизведение.

Если оба теста окажутся верными, кластеры перейдут от интригующей корреляции к чему-то гораздо большему: физической архитектуре, которая позволяет памяти сохраняться, даже когда окружающий её мозг меняется.