Новые исследования показывают, что воспоминания могут находиться в связях между клетками мозга.
Все устройства хранения памяти, от вашего мозга до оперативной памяти в вашем компьютере, хранят информацию, изменяя свои физические свойства. Более 130 лет назад новатор в области нейронаук Сантьяго Рамон-и-Кахаль впервые предположил, что мозг хранит информацию путем перестройки связей, или синапсов, между нейронами.
Содержание
С тех пор неврологи пытались понять физические изменения, связанные с формированием памяти. Однако визуализация и картирование синапсов – сложная задача. Во-первых, синапсы очень малы и плотно упакованы друг с другом. Они примерно в 10 миллиардов раз меньше, чем самый маленький объект, который может визуализировать стандартная клиническая МРТ. Кроме того, в мозге мыши, например, который исследователи часто используют для изучения работы мозга, имеется около 1 миллиарда синапсов, и все они имеют цвет от непрозрачного до полупрозрачного, как и окружающая их ткань.
Однако новый метод визуализации, разработанный учеными, позволил составить карту синапсов во время формирования памяти. Было обнаружено, что процесс формирования новых воспоминаний изменяет то, как клетки мозга связаны друг с другом. В то время как одни участки мозга создают больше связей, другие их теряют.
Составление карты новых воспоминаний у рыб
Ранее ученые концентрировались на регистрации электрических сигналов, производимых нейронами. Хотя эти исследования подтвердили, что нейроны меняют свою реакцию на определенные стимулы после формирования воспоминаний, они не могли точно определить, что приводит к этим изменениям.
Чтобы изучить, как физически изменяется мозг при формировании новой памяти, ученые создали 3D-карты синапсов до и после формирования памяти у рыбки под названием Дамский чулок (Данио-рерио – вид пресноводных лучепёрых рыб семейства карповых). Исследователи выбрали Данио-рерио в качестве подопытных, потому что они достаточно большие, чтобы иметь мозг, функционирующий как у людей, но достаточно маленькие и прозрачные, чтобы иметь возможность заглянуть в живой мозг.
Чтобы вызвать у рыбок новое воспоминание, ученые использовали процесс обучения, называемый классическим обусловливанием. Это предполагает одновременное воздействие на животное двумя различными стимулами: нейтральным, не вызывающим реакции, и неприятным, которого животное старается избегать. Когда эти два стимула попадают в пару достаточное количество раз, животное реагирует на нейтральный стимул так, как если бы это был неприятный стимул, что свидетельствует о том, что у него сформировалась ассоциативная память, связывающая эти стимулы вместе.
В качестве неприятного стимула ученые осторожно нагревали голову рыбы инфракрасным лазером. Когда рыба вильнула хвостом, они восприняли это как признак того, что она хочет убежать. Когда рыбу затем подвергали воздействию нейтрального стимула – включению света, – виляние хвостом означало, что рыба вспоминает, что произошло, когда она ранее столкнулась с неприятным стимулом.
Чтобы создать карты, ученые генетически сконструировали Данио-рерио с нейронами, вырабатывающими флуоресцентные белки, которые связываются с синапсами и делают их видимыми. Затем были визуализированы синапсы с помощью изготовленного на заказ микроскопа, который использует гораздо меньшую дозу лазерного излучения, чем стандартные устройства, использующие флуоресценцию для создания изображений. Поскольку такой микроскоп наносит нейронам меньший ущерб, удалось получить изображение синапсов без потери их структуры и функции.
Когда исследователи сравнили 3D карты синапсов до и после формирования памяти, было обнаружено, что нейроны в одной области мозга, переднелатеральном дорсальном паллиуме, развивали новые синапсы, в то время как нейроны преимущественно в другой области, переднемедиальном дорсальном паллиуме, теряли синапсы. Это означало, что новые нейроны объединялись в пары, в то время как другие разрушали свои связи. Предыдущие эксперименты позволили предположить, что дорсальный паллиум рыб может быть аналогом миндалины млекопитающих, где хранятся воспоминания о страхе.
Удивительно, но изменения в силе существующих связей между нейронами, которые происходили при формировании памяти, были незначительными и неотличимыми от изменений у контрольных рыб, которые не формировали новых воспоминаний. Это означает, что формирование ассоциативной памяти включает образование и потерю синапсов, но не обязательно изменения в прочности существующих синапсов, как считалось ранее.
Может ли удаление синапсов удалить воспоминания?
Новый метод наблюдения за работой клеток мозга может открыть путь не только к более глубокому пониманию того, как на самом деле работает память, но и к потенциальным методам лечения нервно-психических заболеваний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость.
Ассоциативные воспоминания, как правило, намного сильнее, чем другие типы воспоминаний, такие как сознательные воспоминания о том, что вы ели вчера на обед. Более того, считается, что ассоциативные воспоминания, вызванные классическим обуславливанием, аналогичны травматическим воспоминаниям, которые вызывают посттравматическое стрессовое расстройство. Безобидные стимулы, похожие на те, что человек испытывал во время травмы, могут вызвать болезненные воспоминания. Например, яркий свет или громкий шум могут вызвать воспоминания о боевых действиях. Новое исследование показывает роль, которую синаптические связи могут играть в памяти, и может объяснить, почему ассоциативные воспоминания могут длиться дольше и запоминаться ярче, чем другие типы воспоминаний.
В настоящее время наиболее распространенный метод лечения ПТСР – экспозиционная терапия – предполагает многократное воздействие на пациента безвредным, но вызывающим раздражителем, чтобы подавить воспоминания о травмирующем событии. Теоретически, это косвенно изменяет синапсы мозга, делая воспоминания менее болезненными. Но, несмотря на определенный успех экспозиционной терапии, пациенты склонны к рецидивам. Это говорит о том, что основное воспоминание, вызвавшее травматическую реакцию, не было устранено.
До сих пор неизвестно, действительно ли образование и потеря синапсов способствуют формированию памяти. Совсем недавно была разработана технология, которая позволяет быстро и точно удалять синапсы, не повреждая нейроны. Ученые планируют использовать подобные методы для удаления синапсов у мышей, чтобы выяснить, изменяет ли это ассоциативную память.
Возможно, с помощью этих методов можно будет физически стереть ассоциативные воспоминания, которые лежат в основе таких разрушительных заболеваний, как посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость. Однако прежде чем рассматривать возможность такого лечения, необходимо более точно определить синаптические изменения, кодирующие ассоциативные воспоминания. Кроме того, очевидно, что существуют серьезные этические и технические препятствия, которые необходимо преодолеть. Тем не менее, заманчиво представить себе далекое будущее, в котором синаптическая хирургия сможет удалить плохие воспоминания.
Читайте также: “Клетки времени” нашего мозга