Обучение улучшает синапсы между «клетками памяти» у мышей

26 апреля 2018



Ученые давно пытались понять, где и как, мозг хранит воспоминания. В начале XX века немецкий ученый Ричард Сэмон придумал термин «энграмма», чтобы описать гипотетическую структуру мозга, хранящую следы памяти. Затем, в 1940-х годах, канадский психолог Дональд Хебб предположил, что, упрочнение связей между нейронами происходит в случае, если активность пресинаптического нейрона достаточно часто предшествует активности постсинаптического. Принцип Хебба кратко звучит как: «Cells that fire together, wire together», то есть вместе работающие нейроны всегда соединены. Иначе говоря, для формирования связи необходимо, чтобы нейроны в цепочке передачи сигнала возбуждались последовательно — если сигнал первого из них часто оказывается «эффективным», то есть в ответ на него возникает импульсация второго. Повторение данного процесса ведет к тому, что связь между этими нейронами становится нужной, и ведет к потребности усиления синапсов между ними, появлению памятного следа. Усиление синапса в свою очередь приводит к облегчению прохождения сигнала в будущем. Эти две идеи стали краеугольным камнем исследований памяти, и за десятилетия, прошедшие с момента их появления, ученые собрали доказательства, подтверждающие их.

«Дональд Хебб предположил, что не клетки энграмма, а синапсы между клетками энграмма являются важной частью хранения памяти», — говорит Бонг-Киун Каанг, нейробиолог из Сеульского национального университета в Южной Корее. «Существует много косвенных доказательств того, что такой процесс лежит в основе формирования памяти, например исследований, показывающих долгосрочное потенцирование (процесс, при котором два одновременно активированных нейрона лучше связываются друг с другом), но прямых доказательств этого по-прежнему недостает», — добавляет ученый.

Одной из основных проблем была проблема отсутствие инструментов, позволяющих непосредственно наблюдать за данным процессом, говорит Каанг. Чтобы преодолеть это, он и его коллеги ввели в мозг мышей вирус, содержащий рекомбинантную ДНК, кодирующую отличающиеся по цвету флуоресценции белки: свой цвет для клеток энграмы и «неинграммных» клеток. Используя эту технику, команда смогла определить, какой тип клетки связан с постсинаптическими нейронами. Это было непросто. Разработка метода и его экспериментальное воплощение было кропотливым процессом, который занял почти десять лет, говорит Каанг издательству The Scientist. Поэтому, когда его команде около двух лет назад удалось добиться многообещающих результатов, это стало настоящей победой. «Я был очень впечатлен инструментом, который авторы использовали для визуализации синапсов между отдельными группами нейронов. Очень круто!», — пишет в электронном письме The Scientist Брайан Вилтген, невролог из Калифорнийского университета Дэвис, который не участвовал в работе лично.

В исследовании Каанг и его команда впервые ввели рекомбинантную ДНК в гиппокамп мышей, который является ключевой в процессе в формирования памяти областью мозга. Затем команда провела серию экспериментов по обучению подопытных животных страху — ученые учили грызунов связывать конкретные условия среды с воздействием электрического тока. При исследовании мозга животных под микроскопом ученые заметили, что синапсы между клетками энграммы утолщаются. Дендриты, представляющие собой нейрональные выросты, которые образуют синапсы, были более плотными и более крупными между клетками энграммы, чем между клетками энграммы и неинграммными клетками, или между двумя неинграммными клетками. Кроме того, когда команда сравнивала мышей, которые подвергались воздействию слабого или сильного электрического удара, они обнаружили, что синаптические связи лучше развиты у мышей, получивших более сильное воздействие током.

«Что очень полезно, они показали, что разница между смутными и яркими воспоминаниями заключается не в том, что последние задействуют больше нейронов», — говорит Садег Набави, невролог из Орхусского университета в Дании, который не принимал участия в исследовании. «Число нейронов то же, а разница заключается в том, что синапсы имеют больший размер, большую плотность и больший диаметр». По словам Вилтгена, это исследование «углубляет предыдущую работу, показывая, что небольшие группы нейронов гиппокампа во время обучения функционируют вместе, чтобы сформировать новые воспоминания ». Он добавляет, что новая работа вместе с другими исследованиями показывает, что многие наши идеи о памяти сейчас начинают сводиться к общим законам.