В ходе исследования нейробиологи погружали мышей в состояние искусственной спячки, при котором активность мозга снижается примерно на 70%. Изучение гиппокампа до и после гибернации показало, что в этот период исчезает более половины всех синапсов. При этом сокращение затрагивало как мелкие, так и крупные соединения, которые ранее считались наиболее устойчивыми и важными для хранения информации. Вопреки ожиданиям, поведенческие тесты после пробуждения показали, что точность воспроизведения памяти у животных осталась прежней, а в некоторых случаях даже улучшилась. Работа опубликована в журнале Science.
Мыши не забывают прошлое после искусственной спячки и потери половины синапсов
Нейробиологи из Института науки и технологий Окинавы с коллегами совершили открытие, меняющее многолетние представления нейробиологии. До сих пор считалось, что ключевую роль в сохранении воспоминаний играет постоянное укрепление синапсов — связей между нейронами. Но эксперименты с искусственной гибернацией мышей показали, что даже при потере большей части связей память грызунов не страдает.
Иллюстрация внутренних процессов, происходящих в мозге мыши во время искусственной гибернации. Исследователи удаляют из клеток мозга половину дендритных шипиков, и остаются только те, которые необходимы для сохранения долговременной памяти. Luo-chu Yang
Метод искусственной спячки на мышах был впервые успешно опробован только в 2020 году группой профессора Такеши Сакураи. Исследователям удалось обнаружить нейронную цепь, отвечающую за запуск гибернации. Хотя в природе мыши не впадают в спячку, эти же нейронные структуры сохранились у большинства млекопитающих, включая человека.
Слева изображен типичный синапс, в котором одна клетка мозга соединяется с другой (аксон одной клетки соединяется с дендритами другой). Каждый дендрит покрыт крошечными дендритными шипиками, в которых находятся рецепторы нейротрансмиттеров — химических посредников, передающих сигналы между клетками. Электрические сигналы в аксоне вызывают высвобождение этих нейротрансмиттеров в синаптическую щель. Когда тот или иной синапс очень активен, это может привести к физическим изменениям, таким как более интенсивное высвобождение нейромедиаторов и увеличение размера дендритных шипиков с более высокой плотностью рецепторов. Если связь в течение длительного времени не проявляет высокой активности, может произойти обратное: будет высвобождаться меньше нейромедиаторов, а дендритные шипики могут уменьшиться в размере или даже исчезнуть.
Секрет сохранения воспоминаний
Пытаясь понять причину этого феномена, исследователи впервые применили метод корреляционной световой и электронной микроскопии для детального анализа энграмм — физических следов памяти в мозге. Выяснилось, что при массовой утрате контактов мозг избирательно сохраняет небольшие кластеры — специфические группы взаимосвязанных синапсов.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
На этой схеме показаны две характерные структуры, выявленные в ходе исследования. Слева мы видим мультисинаптический бутон (MSB), в котором один пресинаптический терминал соединяется с несколькими различными дендритными шипиками на разных клетках. Исследователи обнаружили, что MSB с большей вероятностью сохраняются после гибернации, что свидетельствует об их важной роли в сохранении памяти. Справа мы видим кластерные паттерны энграмм. Дендритные шипики, расположенные близко друг к другу, но соединяющиеся с различными аксонами нейронов в разных участках мозга, активны в рамках одной и той же энграммы. И вновь исследователи обнаружили, что кластерные синапсы энграмм преимущественно сохранялись после искусственной гибернации, что указывает на их важность для сохранения памяти.
Именно эта высшая архитектура связей, а не сила отдельных синапсов, позволяет удерживать информацию даже после глубокого торможения мозговой активности. Большинство изолированных связей оказались заменяемыми, но защищенные кластеры гарантировали точное воспроизведение памяти. Первый автор работы доктор Ю-Джу Лин так прокомментировала результаты экспериментов: «С логической точки зрения, если бы все синапсы были жизненно необходимы для сохранения памяти, как считалось ранее, воспоминания должны были бы существенно ухудшиться».
В будущем авторы работы планируют выяснить, какие механизмы предохраняют ключевые группы синапсов от разрушения и как эти данные могут быть применимы к человеку.
Загружаем