Все устройства хранения памяти, от головного мозга до оперативной памяти вашего компьютера, хранят информацию, изменяя свои физические качества. Более 130 лет назад нейробиолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль (Santiago Ramón y Cajal) впервые предположил, что головной мозг хранит информацию путем перестройки связей в синапсах, между нейронами.
С тех пор нейробиологи пытались понять физические изменения, связанные с формированием памяти. Но визуализация и картирование синапсов – сложная задача. Во-первых, синапсы очень малы и плотно упакованы. Они примерно в 10 миллиардов раз меньше самого маленького объекта, который может визуализировать стандартная клиническая МРТ. Кроме того, в головном мозге мышей насчитывается около 1 миллиарда синапсов, которые исследователи часто используют для изучения функций мозга, и все они имеют тот же непрозрачный или полупрозрачный цвет, что и окружающая их ткань.
Новизна исследования
Новый метод визуализации позволил составить карту синапсов во время формирования памяти. Исследователи обнаружили, что процесс формирования новых воспоминаний изменяет то, как клетки мозга связаны друг с другом. В то время как некоторые области мозга создают больше связей, другие их теряют.
Ранее ученые сосредоточились на записи электрических сигналов, вырабатываемых нейронами. Хотя эти исследования подтвердили, что нейроны меняют свою реакцию на определенные стимулы после формирования памяти, они не смогли точно определить, что вызывает эти изменения.
Материалы и методы исследования
Чтобы изучить, как физически изменяется головного мозг, когда он формирует новую память, были созданы 3D-карты синапсов рыбок данио до и после формирования памяти. Исследователи выбрали рыбок данио в качестве подопытных, поскольку они достаточно велики, чтобы мозг функционировал так же, как у людей, но достаточно малы и прозрачны, чтобы видеть живой мозг.
Чтобы вызвать у рыбы новую память, ученые использовали тип процесса обучения, называемый классическим обусловливанием. Это включает в себя одновременное воздействие на животное двух разных типов раздражителей: нейтрального, который не вызывает реакции, и неприятного, которого животное пытается избежать. Когда эти два стимула соединяются вместе достаточное количество раз, животное реагирует на нейтральный стимул так, как если бы это был неприятный стимул, указывая на то, что оно создало ассоциативную память, связывающую эти стимулы вместе.
В качестве неприятного раздражителя исследователи осторожно нагревали рыбок инфракрасным лазером. Когда рыба взмахивала хвостом, это воспринялось как признак того, что она хочет убежать. Когда рыба затем подвергается воздействию нейтрального стимула, включается свет, щелчок хвоста означает, что она вспоминает, что произошло, когда она ранее столкнулась с неприятным стимулом.
Исследователи Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) сняли на видео возбуждение нейронов детеныша рыбки данио, когда она видит предметы и пытается двигаться.
Чтобы создать карты, были генетически сконструированы рыбки данио с нейронами, производящими флуоресцентные белки, которые связываются с синапсами и делают их видимыми. Затем исследователи визуализировали синапсы с помощью специального микроскопа, который использует гораздо меньшую дозу лазерного излучения, чем стандартные устройства, которые также используют флуоресценцию для создания изображений. Поскольку микроскоп наносит меньше повреждений нейронам, они смогли получить изображение синапсов без потери их структуры и функций.
Материалы и методы исследования
Когда ученые сравнили 3D-карты синапсов до и после формирования памяти, то обнаружили, что нейроны в одной области мозга, переднебоковой спинной паллии, развили новые синапсы, в то время как нейроны преимущественно во второй области, переднемедиальной спинной паллии, потеряли синапсы. Это означало, что новые нейроны соединялись вместе, в то время как другие разрушали свои связи. Предыдущие эксперименты показали, что спинной мозг рыб может быть аналогичен миндалине млекопитающих, где хранятся воспоминания о страхе.
Удивительно, но изменения в силе существующих связей между нейронами, которые происходили при формировании памяти, были небольшими и неотличимыми от изменений у контрольных рыб, которые не формировали новые воспоминания. Это означало, что формирование ассоциативной памяти включает образование и потерю синапсов, но не обязательно изменение силы существующих синапсов, как считалось ранее.
Может ли удаление синапсов удалить воспоминания?
Новый метод наблюдения за функционированием клеток мозга может открыть двери не только для более глубокого понимания того, как на самом деле работает память, но и для потенциальных возможностей лечения нервно-психических расстройств, таких как ПТСР и зависимость. Концептуально связанная с классическим кондиционированием, терапия длительного воздействия является одним из способов лечения ПТСР.
Ассоциативные воспоминания, как правило, намного сильнее, чем другие типы воспоминаний, такие как сознательные воспоминания о том, что вы ели вчера на обед. Более того, ассоциативные воспоминания, вызванные классическим обусловливанием, считаются аналогичными травматическим воспоминаниям, вызывающим ПТСР. В остальном безобидные стимулы, подобные тем, которые человек испытал во время травмы, могут вызвать воспоминание о болезненных воспоминаниях. Например, яркий свет или громкий шум могут вызвать воспоминания о битве. Исследование раскрывает роль, которую синаптические связи могут играть в памяти, и может объяснить, почему ассоциативные воспоминания могут длиться дольше и запоминаются ярче, чем другие типы воспоминаний.
В настоящее время наиболее распространенное лечение ПТСР, экспозиционная терапия, включает многократное воздействие на пациента безвредного, но вызывающего раздражителя, чтобы подавить воспоминание о травмирующем событии. Теоретически, это косвенно перестраивает синапсы мозга, чтобы сделать память менее болезненной. Несмотря на некоторый успех экспозиционной терапии, пациенты склонны к рецидивам. Это говорит о том, что глубинная память, вызывающая травматическую реакцию, не была устранена. До сих пор неизвестно, действительно ли генерация и потеря синапсов способствуют формированию памяти. Исследователи разработали технологию, которая позволяет быстро и точно удалять синапсы, не повреждая нейроны. Они планируют использовать аналогичные методы для удаления синапсов у рыбок данио или мышей, чтобы посмотреть, изменяет ли это ассоциативные воспоминания. С помощью этих методов можно было бы физически стереть ассоциативные воспоминания, лежащие в основе таких разрушительных состояний, как ПТСР и зависимость. Однако, прежде чем можно будет даже подумать о таком лечении, необходимо более точно определить синаптические изменения, кодирующие ассоциативные воспоминания. И очевидно, что существуют серьезные этические и технические препятствия, которые необходимо будет устранить. Тем не менее, заманчиво представить себе отдаленное будущее, в котором синаптическая хирургия могла бы удалить плохие воспоминания.
Авторы другого исследования заявили, что воспоминания проходят множество стадий трансформации, поскольку они закодированы.
