Исследование природы памяти показывает, как клетки, хранящие информацию, стабилизируются с течением времени
Вспомните время, когда у вас было два разных, но похожих события за короткий период. Возможно, вы посетили две праздничные вечеринки на одной неделе или провели две презентации на работе. Вскоре после этого вы можете обнаружить, что путаете эти два понятия, но со временем эта путаница рассеивается, и вы лучше способны различать эти разные переживания.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Neuroscience, показывает, что этот процесс происходит на клеточном уровне, выводы, которые имеют решающее значение для понимания и лечения нарушений памяти, таких как болезнь Альцгеймера.
Динамические инграммы хранят воспоминания
Исследование сосредоточено на энграммах, которые представляют собой нейронные клетки головного мозга, хранящие информацию из памяти. "Энграммы - это нейроны, которые реактивируются для поддержки вспоминания", - говорит Дхирадж С. Рой, доктор философии, один из старших авторов статьи и доцент кафедры физиологии и биофизики Школы медицины и биомедицинских наук Джейкобса Университета Буффало. "Когда инграммы разрушаются, возникает амнезия".
В минуты и часы, которые непосредственно следуют за переживанием, объясняет он, мозгу необходимо консолидировать инграмму, чтобы сохранить ее. "Мы хотели знать: что происходит во время этого процесса консолидации? Что происходит между моментом формирования инграммы и моментом, когда вам нужно вспомнить это воспоминание позже?"
Исследователи разработали вычислительную модель обучения и формирования памяти, которая начинается с сенсорной информации, которая является стимулом. Как только эта информация попадает в гиппокамп, часть мозга, где формируются воспоминания, активируются различные нейроны, некоторые из которых являются возбуждающими, а другие - тормозящими.
Когда нейроны в гиппокампе активируются, не все они срабатывают одновременно. По мере формирования воспоминаний нейроны, которые вовремя активизируются, становятся частью инграммы и укрепляют свои связи для поддержки будущих воспоминаний.
"Активация клеток инграммы во время вспоминания - это не процесс "все или ничего", а скорее, обычно требуется достичь порога (т. Е. Процента от исходной инграммы) для эффективного запоминания", - объясняет Рой. "Наша модель впервые демонстрирует, что популяция инграмм нестабильна: количество клеток инграммы, которые активируются во время припоминания, со временем уменьшается, что означает, что они динамичны по своей природе, и поэтому следующий важный вопрос заключался в том, имело ли это поведенческие последствия ".
Динамические инграммы необходимы для распознавания памяти
"В течение периода консолидации после обучения мозг активно работает над разделением двух переживаний, и это, возможно, одна из причин, почему количество активированных клеток инграммы уменьшается со временем для одного воспоминания", - говорит он. "Если это правда, то это объясняет, почему распознавание памяти улучшается с течением времени. Изначально ваша память о пережитом была одной большой магистралью, но со временем, в течение периода консолидации, от минут до часов, ваш мозг делит их на две полосы, чтобы вы могли различать их. "
Теперь у Роя и экспериментаторов из его команды была проверяемая гипотеза, которую они осуществили, используя хорошо зарекомендовавший себя поведенческий эксперимент с мышами. Мышей ненадолго поместили в два разных бокса с уникальными запахами и условиями освещения; в одном была нейтральная среда, но во втором боксе они получили легкий удар ногой.
Через несколько часов после этого опыта у мышей, которые обычно находятся в постоянном движении, проявилось воспоминание о страхе, они замерли при контакте с любой коробкой. "Это продемонстрировало, что они не могли отличить одно от другого", - говорит Рой. "Но к двенадцатому часу они внезапно начали проявлять страх только тогда, когда их подвергли воздействию коробки, в которой им было некомфортно во время их самого первого опыта. Они смогли отличить одно от другого. Животное говорит нам, что они знают, что эта коробка самая страшная, но пятью часами ранее они не могли этого сделать ".
Используя светочувствительную технику, команда смогла обнаружить активные нейроны в гиппокампе мыши, когда животное исследовало коробки. Исследователи использовали этот метод, чтобы пометить активные нейроны и позже измерить, сколько из них было реактивировано мозгом для запоминания. Они также провели эксперименты, которые позволили отследить одну ячейку инграммы в зависимости от опыта и времени. "Таким образом, я могу буквально рассказать вам, как одна инграммная клетка или их подмножество реагировали на каждое окружение с течением времени, и соотнести это с различением их памяти", - объясняет Рой.
Первоначальные вычислительные исследования команды предсказали, что количество клеток-инграмм, вовлеченных в одно воспоминание, со временем будет уменьшаться, и эксперименты на животных подтвердили это.
"Когда мозг узнает что-то в первый раз, он не знает, сколько нейронов необходимо, и поэтому специально привлекается большее подмножество нейронов", - объясняет он. "По мере того, как мозг стабилизирует нейроны, консолидируя память, он отсекает ненужные нейроны, поэтому требуется меньше, и тем самым помогает разделить инграммы для разных воспоминаний".
Что происходит с нарушениями памяти?
Полученные результаты имеют прямое отношение к пониманию того, что происходит не так при нарушениях памяти, таких как болезнь Альцгеймера. Рой объясняет, что для разработки методов лечения таких расстройств крайне важно знать, что происходит во время первоначального формирования памяти, консолидации и активации инграмм для вспоминания.
"Это исследование говорит нам, что весьма вероятным кандидатом на то, почему возникает дисфункция памяти, является то, что что-то не так с ранним периодом после формирования памяти, когда инграммы должны меняться", - говорит Рой.
В настоящее время он изучает мышиные модели ранней стадии болезни Альцгеймера, чтобы выяснить, формируются ли энграммы, но не стабилизируются ли они должным образом. Теперь, когда больше известно о том, как инграммы работают для формирования и стабилизации воспоминаний, исследователи могут изучить, какие гены изменяются в животной модели при уменьшении популяции инграмм.
"Мы можем посмотреть на модели мышей и спросить, есть ли определенные гены, которые изменены? И если это так, то у нас, наконец, есть что протестировать, мы можем модулировать ген для этих процессов "уточнения" или "консолидации" инграмм, чтобы увидеть, играет ли это роль в улучшении производительности памяти ", - говорит он.
Сейчас в Школе Джейкобса Рой проводил исследование, будучи научным сотрудником Макговерна в Институте Броуда Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардском университете. Рой - один из трех нейробиологов, нанятых в Школу Джейкобса в этом году, чтобы начать новое направление в области системной нейронауки на факультете физиологии и биофизики школы.
Соавторами статьи являются сотрудники Имперского колледжа в Лондоне; Института науки и технологий в Австрии; Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте; и Центра наук о жизни и IDG / Института исследований мозга Макговерна при Университете Цинхуа в Китае.
Информация из журнала: Nature Neuroscience