Ученые наблюдают за формированием памяти в живом мозге

Формирование памяти может оказаться более сложным, чем думали ученые. Новый отчет в журнале Quanta Magazine раскрывает контекст исследования, опубликованного в январе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследование возглавила команда из Университета Южной Калифорнии, которой удалось запечатлеть формирование памяти у лабораторных рыб — в реальном времени, что поразительно. Ученые работали с генетически модифицированными рыбками данио, видами, которые легко изучать, потому что в личиночном состоянии они от природы прозрачны.

Представьте, что пока вы наслаждаетесь утренней тарелкой хлопьев, с потолка падает паук и плюхается в молоко. Спустя годы вы все еще не можете приблизиться к миске с хлопьями, не испытывая при этом отвращения.

Теперь исследователи непосредственно наблюдали, что происходит внутри мозга, переживающего такую ​​эмоционально заряженную реакцию. В новом исследовании, опубликованном в январе в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда из Университета Южной Калифорнии смогла визуализировать воспоминания, формирующиеся в мозгу лабораторных рыб, визуализируя их под микроскопом, когда они расцветали красивой флуоресцентной зеленью. По опыту более ранней работы они ожидали, что мозг будет кодировать память, лишь слегка изменяя свою нейронную архитектуру. Вместо этого исследователи были удивлены, обнаружив серьезные изменения в соединениях.

То, что они увидели, подтверждает точку зрения о том, что память — это сложное явление, включающее мешанину кодирующих путей. Но это также предполагает, что тип памяти может иметь решающее значение для того, как мозг выбирает ее для кодирования — вывод, который может намекнуть на то, почему некоторые виды глубоко обусловленных травматических реакций так настойчивы и их так трудно разучить.

«Возможно, то, на что мы смотрим, является эквивалентом твердотельного накопителя в мозгу», — сказал соавтор Скотт Фрейзер, количественный биолог из Университета Южной Калифорнии. В то время как мозг записывает некоторые типы воспоминаний в изменчивой, легко стираемой форме, воспоминания, связанные со страхом, могут храниться более надежно, что может помочь объяснить, почему годы спустя некоторые люди могут вспомнить событие, как если бы переживали его заново, сказал он.

Память часто изучалась в коре, которая покрывает верхнюю часть мозга млекопитающих, и в гиппокампе в основании. Но его реже исследовали в более глубоких структурах, таких как миндалевидное тело, мозговой центр регуляции страха. Миндалевидное тело особенно ответственно за ассоциативные воспоминания, важный класс эмоционально заряженных воспоминаний, которые связывают разрозненные вещи — как тот паук в вашей каше.

Хотя этот тип памяти очень распространен, не совсем понятно, как он формируется, отчасти потому, что он возникает в относительно недоступной области мозга. Фрейзер и его коллеги увидели возможность обойти это анатомическое ограничение и узнать больше о формировании ассоциативной памяти с помощью рыбок данио. Еще их называют, за полосатый окрас, рыбы-зебры или «дамский чулок». Они начали завозиться в качестве аквариумных обитателей с 1905 года, и сейчас этих рыбок можно встретить в аквариумах по всему миру. Залог популярности данио-рерио – неприхотливость в содержании, привлекательная яркая окраска тела и спокойный характер. Рыбка данио является популярным модельным объектом в биологии для изучения зародышевого развития и генов позвоночных. Это связано с тем, что развитие икры происходит очень быстро – всего за три дня, а сами эмбрионы довольно крупные и выносливые, что позволяет совершать с ними различные манипуляции. Данио-рерио стали первыми генетически модифицированными рыбками. История знаменитых флюоресцирующих рыбок GloFish началась именно с данио. Так же, как и гуппи, данио удостоились чести полететь в космос и стали одним из объектов изучения на орбитальной станции.

У рыб нет миндалевидного тела, как у млекопитающих, но у них есть аналогичная область, называемая паллием, где формируются ассоциативные воспоминания. Фрейзер объяснил, что паллий гораздо более доступен для изучения: в то время как мозг развивающегося млекопитающего растет, просто становясь больше — «надуваясь, как воздушный шар», — мозг рыбки данио почти выворачивается наизнанку, «как зернышко попкорна, поэтому эти глубокие центры находятся недалеко от поверхности, где мы можем их запечатлеть». Более того, личинки рыбок данио прозрачны, поэтому исследователи могли заглянуть прямо в их мозг.

Нейробиологи в целом согласны с тем, что мозг формирует воспоминания, модифицируя свои синапсы — крошечные соединения, где встречаются нейроны. Но большинство считает, что в основном это происходит за счет настройки силы соединений или того, насколько сильно один нейрон стимулирует другой, сказал Фрейзер.

Поэтому, чтобы сделать этот процесс видимым, Фрейзер и его команда генетически сконструировали рыбок данио, чтобы они производили нейроны с флуоресцентным белковым маркером, связанным с их синапсами. Белок-маркер, созданный в лаборатории Дона Арнольда, профессора биологических наук и биологической инженерии Университета Южной Калифорнии, флуоресцировал под тусклым лазерным светом специального микроскопа. «Но используйте как можно меньше света, чтобы не обжечь существ», — сказал Фрейзер. Затем исследователи смогли увидеть не только расположение отдельных синапсов, но и их силу — чем ярче свет, тем сильнее связь.

Чтобы вызвать память, Фрейзер и его команда приучили личинок данио-рерио ассоциировать свет с неприятным нагревом, подобно тому, как русский физиолог XIX века Иван Павлов приучал своих собак к выделению слюны в ожидании угощения после звука колокольчика. Личинки рыбы-зебры научились пытаться уплыть всякий раз, когда видят свет. (В эксперименте головы личинок были обездвижены, но их хвосты могли свободно вращаться.) Исследователи визуализировали мантию до и после того, как рыба научилась, и проанализировали изменения в силе и местоположении синапсов.

Вопреки ожиданиям, сила синапсов в паллиуме оставалась примерно одинаковой независимо от того, чему научилась рыба. Вместо этого у рыб, которые научились, синапсы были вырезаны из некоторых областей мантии — производя эффект, «подобный обрезке дерева бонсай», — сказал Фрейзер, — и пересажены в другие.

Предыдущие исследования иногда предполагали, что воспоминания могут формироваться за счет добавления и удаления синапсов, но эта крупномасштабная визуализация мозга в реальном времени предполагает, что этот метод формирования памяти может быть гораздо более важным, чем предполагали исследователи. Хотя это не окончательное доказательство, «я думаю, оно дает убедительные доказательства» того, что это может быть основным способом, которым мозг формирует воспоминания, сказал Томас Райан, нейробиолог из Тринити-колледжа в Дублине, который не участвовал в исследовании.

Чтобы согласовать результаты своего нового исследования с первоначальными ожиданиями в отношении формирования памяти, Фрейзер, Арнольд и их команда выдвинули гипотезу о том, что тип памяти может определять, как мозг выбирает ее для кодирования. «Ассоциативные события, которые мы рассмотрели, могут быть самыми сильными воспоминаниями», — сказал Фрейзер. Для рыбы это «сделай или умри», поэтому «неудивительно, что вы можете закодировать эти сильные воспоминания очень сильным способом».

Но то, что подходит для запирания полных страха воспоминаний, может не подходить для более приземленных типов воспоминаний. Когда вы учитесь произносить чье-то имя, вы, вероятно, «не захотите вырывать синапсы из своего мозга и добавлять новые», — сказал Фрейзер.

Фрейзер и его команда надеются, что эта модель может в конечном итоге помочь им изучить механизмы, связанные с воспоминаниями, которые вызывают посттравматическое стрессовое расстройство, и что она может даже привести к потенциальным стратегиям смягчения этого состояния.

Но возможно, что результаты больше связаны с возрастом данио-рерио, чем с типом сформированной памяти, сказал Клифф Абрахам, профессор психологии в Университете Отаго в Новой Зеландии, который также не участвовал в исследовании. «Мы знаем, что во время развития в разных частях мозга происходит много сокращений и синаптической реорганизации в результате опыта», — сказал Абрахам. Если исследователи взглянут на взрослых рыбок данио — что сделать сложнее, потому что они менее прозрачны и имеют больший мозг, — они могут получить другие результаты.

Статья представляет собой «технический выход силы», добавил он, но это всего лишь часть головоломки о том, как формируются воспоминания, и до сих пор остается много вопросов без ответа — например, как долго эти воспоминания и синаптические изменения сохраняются у рыбок данио.

Исследователи надеются увидеть, применимы ли полученные данные к животным с большим мозгом и даже к млекопитающим, а также выяснить, как у данио-рерио и других животных формируются менее эмоционально нагруженные или травмирующие воспоминания.

«Все думали, что существует целый ряд способов, которыми мозг может хранить воспоминания, — сказал Фрейзер. — Прелесть в том, что, держу пари, все они правы. И вопрос будет заключаться в следующем: как все это работает вместе?»

Ясемин Саплакоглу