Мозг осьминога ставит под сомнение представления об обучении и памяти

Фото из открытых источников

Ученые обнаружили химический переключатель, который поддерживает прочные связи в мозге осьминогов, что дает ключ к пониманию того, как эти животные запоминают информацию. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Neuroscience.

Обучение изменяет связи между клетками головного мозга. У таких животных, как млекопитающие и морские слизни, для сохранения этих изменений обычно требуются новые белки.

Но ткани мозга осьминога сделали нечто неожиданное. Их нервные связи оставались более прочными по меньшей мере в течение 10 часов, даже когда исследователи блокировали синтез новых белков в клетках. Возможно, это объясняется наличием газа, называемого оксидом азота.

Исследователи предполагают, что это поддерживает активность фермента, который его производит, создавая постоянный запас, который помогает нервным связям оставаться прочными.

Лаборатория Биньямина Хохнера в Еврейском университете в Иерусалиме сотрудничала с группой Таля Шомрата в Академическом центре Руппина. Большинство экспериментов провела Ана Луиза Турчетти-Майя, используя живую ткань мозга обыкновенных осьминогов, выловленных рыбаками у средиземноморского побережья Израиля.

Осьминоги решают проблемы и учатся на собственном опыте. У них около 500 миллионов нервных клеток, что делает их нервной системой самой крупной среди всех животных без позвоночника.

Область мозга, называемая вертикальной долей, помогает им учиться посредством зрения. Она выполняет аналогичную функцию, как и гиппокамп, который помогает людям и другим позвоночным формировать долговременную память.

Кратковременный всплеск интенсивной активности может укрепить связи между нервными клетками в этой области. Ученые называют это долговременной потенциацией и считают, что это один из способов, с помощью которого мозг сохраняет полученные знания.

В 2008 году команда Хохнера максимально укрепила связи между нейронами в пределах одной доли головного мозга, после чего осьминоги столкнулись с трудностями в формировании новых долговременных воспоминаний. Согласно карте 2023 года, в доле головного мозга находится около 25 миллионов нервных клеток, большинство из которых получают сигналы всего от одного входящего нервного волокна.

Оксид азота и раньше казался важным веществом: исследования 1990-х годов показали, что его блокирование нарушает обучение посредством осязания и зрения. Позже проведенные командой исследования тканей показали, что фермент, вырабатывающий газ, особенно активен в вертикальной доле.

В рамках нового исследования ученые стимулировали поступающие нервные волокна четырьмя быстрыми сериями по 20 импульсов каждая. Затем они измеряли реакцию этих связей каждые 30 секунд.

Они также использовали препараты для блокирования синтазы оксида азота, фермента, который вырабатывает этот газ. Эти препараты действовали надежно только в гораздо более высоких дозах, чем те, которые обычно используют исследователи. Ученые часто ожидают, что оксид азота поможет запустить процесс укрепления связей. Однако связи между осьминогами становились все прочнее даже при наличии блокаторов.

Тонкий датчик из углеродного волокна, помещенный в ткань, зафиксировал повышение уровня оксида азота после стимуляции. Одно приблизительно откалиброванное измерение показало, что уровни примерно в 1000 раз выше тех, которые необходимы для активации наиболее известного сигнального пути.

Однако в пяти экспериментах средний рост наблюдался позже и был менее выраженным. Исследователи предполагают, что при таких высоких концентрациях оксид азота связывается с белками и изменяет их функционирование. Препараты, воздействующие на его обычный сигнальный путь, не повлияли на укрепление связей.

Ситуация изменилась, когда исследователи добавили блокаторы после того, как связи укрепились. При введении через 10 минут один препарат снизил усиление реакции в среднем на 63%, а другой — на 82%.

Зеркальная версия блокатора, который не может блокировать фермент, снизила ответную реакцию на 23%. Это меньшее снижение могло произойти случайно. Когда исследователи удалили активные блокаторы, сила вернулась. Один из блокаторов оказывал такое действие независимо от того, добавляли ли его через 10 минут, 90 минут или четыре часа после стимуляции.

Это позволяет предположить, что для сохранения повышенной прочности соединениям необходима постоянная подача оксида азота.

Добавление одной лишь оксида азота не дало такого же длительного эффекта. Кратковременное воздействие химического вещества, выделяющего этот газ, укрепило соединения лишь на несколько минут.

Помещение ткани в раствор, выделяющий газ, вызывало значительное, но временное увеличение силы сигнала. Длительное воздействие, по-видимому, также повреждало нервные волокна.

Команда исследователей предполагает, что сильная нервная активность запускает замкнутый цикл: фермент вырабатывает оксид азота, а оксид азота поддерживает активность фермента.

Хохнер сказал, что эта работа демонстрирует, как разные люди могут решить общую проблему. «Это замечательный пример того, как эволюция может порождать схожие принципы обучения и памяти посредством совершенно разных биологических механизмов», — добавил Хохнер.

В хорошо изученных примерах, полученных от других животных, включая морского слизня Aplysia, устойчивые изменения в нервных связях зависят от новых белков. Блокирование выработки белка в гиппокампе млекопитающих предотвращает последующую, устойчивую фазу укрепления мышц.

Исследовательская группа обрабатывала ткани осьминога анизомицином, препаратом, блокирующим выработку белка, в течение двух с половиной часов. Лечение началось за полчаса до стимуляции, однако связи оставались более прочными как минимум в течение 10 часов.

Чтобы проверить эффективность препарата, исследователи использовали светящийся маркер для маркировки новых белков. Необработанная ткань ярко светилась, в то время как обработанная ткань светилась очень слабо.

В четырех длительных экспериментах блокирование оксида азота все же снижало прочность связей в тканях, обработанных анизомицином. Следовательно, система оксида азота могла продолжать функционировать без новых белков.

Проанализировав 11 экспериментов с блокаторами, исследователи обнаружили две закономерности. В пяти из них препарат в среднем снижал эффективность на 97%, действуя более чем в четыре раза быстрее, чем в остальных шести.

После удаления препарата повторная стимуляция усилила эти быстро реагирующие связи примерно в 2,6 раза. Создавалось впечатление, что ранее проведенные работы по укреплению были прекращены, что позволило начать строительство заново.

В группе с более медленным развитием блокатор снизил силу на 72%, а дальнейшая стимуляция практически ничего не дала. В этом случае препарат, по-видимому, подавлял ранее достигнутое усиление, не устраняя его полностью.

Команда считает, что более быстрая реакция объясняется отключением переключателя в соединениях, которые изначально были слабее. На протяжении пяти отделов доли головного мозга быстрые реакции наблюдались в средней части, медленные — в самой внешней паре, а реакции обоих типов — в промежуточных отделах.

Исследователи изучали ткани в чашке Петри, а не осьминогов, обучающихся выполнению какой-либо задачи. В большинстве сравнений использовалось всего пять или шесть срезов мозга на группу, и авторы сомневаются, что это изменение само по себе объясняет сохранение долговременных воспоминаний.

Более ранние исследования показали, что удаление вертикальной доли после тренировки не мешает осьминогам запоминать выученные задачи. Эта доля может помогать животным учиться до того, как они сохранят воспоминания в другом месте, где новые белки еще могут иметь значение.

Каракатицы могут использовать другую систему: в их вертикальной доле не наблюдается заметной активности фермента, вырабатывающего газ, а связи укрепляются на выходной стороне цепи. Также пока неизвестно, поддерживает ли оксид азота активность собственного фермента напрямую или через другой фермент.

Генетические исследования показывают, что у осьминогов и их родственников произошли значительные изменения в структуре ДНК. Авторы предполагают, что эти изменения могли способствовать превращению более старых химических процессов, связанных с памятью моллюсков, в механизм переключения на оксид азота.

Теперь они хотят определить конкретные молекулярные изменения, участвующие в этом процессе. Это может помочь объяснить, как развивалась эта система и какую роль она играет в обучении.