Ученые стерли 50% синапсов в мозге мышей, но их память сохранилась: что на самом деле хранит наши воспоминания

Долгое время в нейробиологии доминировала гипотеза, согласно которой воспоминания закрепляются в мозге за счет физического роста и укрепления контактов между нервными клетками. Предполагалось, что когда организм получает новый опыт, синапсы — места соединения нейронов — увеличиваются в размерах и начинают эффективнее проводить электрические сигналы. Считалось, что именно эти укрупненные и стабильные структуры удерживают информацию в течение всей жизни.

Однако эта теория сталкивается с противоречием при изучении реальной работы мозга. В гиппокампе — отделе, который отвечает за формирование долговременной памяти и пространственную ориентацию, — микроскопические выросты нейронов (дендритные шипики) непрерывно меняются. Они возникают, разрушаются и перестраиваются каждые несколько суток даже у взрослого организма. Более того, группы клеток, которые активируются в ответ на знакомую обстановку, со временем меняют свой состав. Это явление называется репрезентативным дрейфом.

Возникает фундаментальный вопрос: как мозг удерживает устойчивые воспоминания годами, если его физическая структура непрерывно перестраивается?

Группа исследователей из Японии, Германии и США под руководством Кадзумасы Танаки из Окинавского института науки и технологий нашла ответ на этот вопрос с помощью искусственно вызванного состояния спячки у мышей. Их работа раскрыла точный механизм того, какие именно элементы синаптической сети необходимы для удержания памяти, а какие являются вспомогательными.

Искусственная спячка как инструмент исследования мозга

В природе многие млекопитающие впадают в зимнюю спячку. В этом состоянии температура их тела опускается почти до температуры окружающей среды, обмен веществ замедляется в десятки раз, а электрическая активность головного мозга падает до минимальных значений. Лабораторные мыши не впадают в спячку естественным образом. Однако ученые научились вызывать это состояние искусственно.

В гипоталамусе мышей находится группа так называемых Q-нейронов. Если избирательно активировать эти клетки с помощью хемогенетики — метода, при котором в нейроны встраивают искусственные рецепторы, реагирующие на специальный химический препарат (CNO), — животное погружается в состояние глубокого гипометаболизма и гипотермии. Это состояние исследователи называют QIH (Q-neuron-induced hypometabolism and hypothermia).

В эксперименте активация Q-нейронов приводила к резкому снижению температуры тела мышей, которое сохранялось на протяжении 48 часов. Ученые установили электроды в область CA1 гиппокампа и зарегистрировали падение частоты генерации нервных импульсов пирамидными нейронами на 70%. Одновременно с этим произошло глубокое подавление ключевых ритмов мозга: тета-ритма (4-12 Гц), гамма-ритма (30-85 Гц) и высокочастотных всплесков (рипплов, 100-130 Гц), которые обычно связывают с обработкой и консолидацией памяти.

Исчезновение половины контактов

Чтобы оценить физические изменения в ткани мозга, авторы использовали серийную блочную сканирующую электронную микроскопию (SBEM). Этот метод позволяет делать тысячи ультратонких срезов ткани, сканировать их электронным микроскопом и собирать в детальную трехмерную модель объемом в сотни кубических микрометров.

Для распознавания синапсов применили алгоритм машинного обучения CDeep3M. Синапс определяли по двум обязательным признакам: наличию скопления пузырьков с нейромедиатором в передающем отростке (аксоне) и наличию постсинаптического уплотнения — белкового комплекса на принимающем отростке (дендритном шипике).

Количественный анализ показал: во время искусственной спячки плотность синапсов в радиальном слое зоны CA1 гиппокампа снизилась на 52,5% по сравнению с состоянием бодрствования до спячки и на 57,2% по сравнению с состоянием после восстановления.

Расстояние между соседними выжившими контактами на дендритах увеличилось. При этом объем тех шипиков, которые сохранились, практически не изменился по сравнению с нормой. Произошло выборочное удаление более половины синаптических связей, а не равномерное уменьшение их размеров.

Проверка памяти после выхода из спячки

Согласно классическим представлениям, потеря 50% синапсов в гиппокампе должна приводить к тяжелой амнезии. Исследователи провели серию поведенческих тестов, чтобы проверить, помнят ли мыши события, произошедшие до введения в спячку.

Сначала животных обучили ассоциативному страху: помещение в определенную клетку сопровождалось слабым ударом тока по лапам. Мыши запоминали этот контекст и при повторном помещении туда замирали от страха. Затем животных погружали в спячку на 48 часов. Спустя пять дней после согревания и полного восстановления их протестировали снова.

Мыши из группы спячки замирали в опасной клетке с такой же высокой частотой, как и контрольные животные, которые не подвергались охлаждению. В нейтральной клетке с другими запахами и стенами обе группы вели себя спокойно.

Во втором тесте проверяли пространственную память: мышей обучали находить поилку с наградой в одном из рукавов сложного лабиринта. После выхода из спячки животные находили правильный путь так же безошибочно, как и до нее.

Чтобы исключить вероятность того, что воспоминание за двое суток успело полностью переместиться из гиппокампа в кору больших полушарий, ученые провели фармакологическое отключение гиппокампа. Введение блокирующего препарата полностью лишило мышей способности вспоминать опасный контекст как в контрольной группе, так и в группе после спячки. Это доказало: память продолжала храниться именно в гиппокампе, несмотря на масштабную перестройку его структуры.

Электрофизиологические измерения активности нейронов места (клеток, которые возбуждаются, когда животное находится в конкретной точке пространства) подтвердили эти данные. Карты пространства в гиппокампе не разрушились. Частота их разрядов осталась прежней, а границы зон активации после спячки стали даже более четкими, чем до нее.

Точная регенерация шипиков

Чтобы наблюдать за поведением отдельных синапсов в реальном времени, исследователи вживили мышам оптические окна и использовали двухфотонный лазерный микроскоп. Эта технология позволяет заглядывать в кору и верхние слои гиппокампа живого животного и многократно фотографировать одни и те же дендритные ветви на протяжении восьми дней.

Микроскопия подтвердила данные электронных срезов: в первые 24 часа после снижения температуры количество дендритных шипиков резко сокращалось. Однако фаза согревания сопровождалась столь же быстрым формированием новых шипиков.

При анализе координат каждого отдельного шипика выяснилось: 82,1% новых шипиков после согревания выросли ровно на тех же самых участках дендрита, где они исчезли во время охлаждения. Вероятность того, что такое совпадение произошло случайно, составила всего 16,8%.

Это наблюдение показало: мозг во время спячки сохраняет позиционную информацию, которая позволяет восстановить утраченные звенья цепи точно на прежних местах.

Обнаружение устойчивого следа: кластеры энграммы

Чтобы понять, какие именно контакты обеспечивают выживание следа памяти, авторы пометили синапсы, связывающие нейроны энграммы. Энграмма — это совокупность нервных клеток, которые избирательно активировались во время обучения.

С помощью генетической методики eGRASP (реконституция зеленого флуоресцентного белка на синаптических партнерах) ученые заставили светиться зеленым цветом только те синапсы, где передающий нейрон энграммы из зоны CA3 контактировал с принимающим нейроном энграммы в зоне CA1. Сами дендриты пометили красным флуоресцентным белком.

Подсчет меток показал: общее количество связей между клетками энграммы во время спячки снизилось. Однако они исчезали неравномерно:

1. Одиночные синапсы энграммы (расположенные изолированно вдоль дендрита) массово разрушались точно так же, как и любые другие случайные синапсы.
2. Кластеризованные синапсы (группы из двух и более контактов, расположенных на расстоянии менее 5 микрометров друг от друга на одном дендрите) полностью избежали разрушения. Их плотность во время спячки осталась неизменной.

Затем ученые объединили световую флуоресцентную микроскопию с трехмерной электронной микроскопией (метод CLEM). Это позволило найти те же самые светящиеся кластеры на электронных срезах и изучить их внутреннее строение с точностью до отдельных нанометров.

Измерения показали два важных факта:

• Размер шипиков не играл роли в их выживании. Дендритные шипики, входившие в состав защищенных кластеров, не были крупнее остальных. Напротив, их средний объем оказался несколько меньше объема одиночных шипиков на той же ветви. Это опровергло общепринятое убеждение, что долговременная память держится исключительно на самых больших и зрелых синапсах.
• Связь с мультисинаптическими бутонами (MSB). 33,3% защищенных кластерных шипиков образовывали контакты с особыми пресинаптическими структурами — мультисинаптическими бутонами. Это аксональные утолщения, которые контактируют одновременно с шипиками от двух или трех разных дендритов. В обычной ткани мозга доля контактов с такими бутонами составляет лишь 3,33%.

Мультисинаптический бутон объединяет несколько соседних контактов в единый узел. Когда сигнал проходит через такой бутон, он синхронно активирует сразу группу шипиков на одном или нескольких дендритах, что вызывает суммарный электрический ответ высокой мощности.

Сравнение с разрушением синапсов под наркозом

Чтобы доказать, что сохранение памяти зависит именно от этих кластеров, а не является общим свойством заторможенного мозга, ученые провели контрольный эксперимент (протокол ANE).

Мышей не вводили в спячку, а погружали в глубокий наркоз изофлураном и вводили в гиппокамп цитохалазин D — вещество, которое блокирует сборку белка актина, составляющего каркас дендритных шипиков.

При протоколе ANE активность нейронов и общая плотность синапсов снизились примерно так же, как и при спячке. Однако распределение потерь было принципиально другим:

Препарат цитохалазин D разрушил именно плотные кластеры контактов. В результате после прекращения наркоза мыши полностью забыли выработанный навык и перестали узнавать опасную обстановку.

Это прямо подтвердило: выживание пространственных кластеров синапсов является обязательным и достаточным условием для сохранения следа памяти.

Значение открытия для понимания работы мозга

Результаты работы меняют представление о том, как мозг организует хранение информации.

Во-первых, след памяти устроен гораздо более экономно, чем предполагалось ранее. Мозгу нет необходимости удерживать в неизменном виде миллионы синапсов, задействованных в момент обучения. Большинство из них являются временными и могут легко разрушаться в ходе повседневной активности или при метаболическом спаде.

Во-вторых, долговременная стабильность обеспечивается геометрическим фактором — близким расположением небольшого числа синапсов на одном дендрите и их подключением к мультисинаптическим бутонам.

Такая организация решает главную проблему гиппокампа: постоянную запись новых событий без стирания старых. Поскольку след памяти занимает лишь минимальное количество компактных участков на дендритах, освободившееся пространство синаптической сети остается открытым для записи новой информации. При этом базовый след остается защищенным от помех, а при необходимости активирует связанные с ним нейроны и стимулирует восстановление недостающих связей точно на прежних позициях.

Источник: biorxiv