Обычно считается, что обучение и память состоят из трех основных этапов: кодирование событий в сети мозга, сохранение закодированной информации и последующее извлечение ее для повторного использования.
Два года назад нейробиологи Массачусетского технологического института обнаружили, что при определенных типах ретроградной амнезии воспоминания об определенном событии могут сохраняться в мозгу, даже если их нельзя восстановить с помощью естественных сигналов. Этот феномен предполагает, что существующие модели формирования памяти необходимо пересмотреть, как предлагают исследователи в новой статье, в которой они более подробно описывают, как эти модели "безмолвные инграммы" формируются и повторно активируются.
Исследователи полагают, что их результаты свидетельствуют о том, что хранение в памяти не зависит от укрепления связей или "синапсы," между ячейками памяти, как давно думали. Вместо этого паттерна соединений, которые формируются между этими ячейками в течение первых нескольких минут после возникновения события, достаточны для сохранения памяти.
"Один из наших основных выводов в этом исследовании заключается в том, что определенная память хранится в определенном паттерне связи между ансамблями инграммных клеток, которые расположены вдоль анатомического пути. Этот вывод является провокационным, поскольку существует догма, согласно которой память вместо этого хранится за счет синаптической силы," говорит Сусуму Тонегава, профессор биологии и нейробиологии Пикауэра, директор Центра генетики нейронных цепей RIKEN-MIT в Институте обучения и памяти Пикауэра и старший автор исследования.
Исследователи также показали, что даже несмотря на то, что воспоминания, хранящиеся в безмолвных инграммах, не могут быть восстановлены естественным образом, воспоминания сохраняются в течение как минимум недели и могут быть восстановлены "проснулся" через несколько дней после обработки клеток белком, который стимулирует образование синапсов.
Дирадж Рой, недавно получивший докторскую степень в Массачусетском технологическом институте, является ведущим автором статьи, которая опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences в течение недели октября. 23. Другие авторы – постдок из Массачусетского технологического института Шрути Муралидхар и технический сотрудник Лилиан Смит.
Тихие воспоминания
Нейробиологи давно считали, что воспоминания о событиях сохраняются, когда укрепляются синаптические связи, которые позволяют нейронам общаться друг с другом. Предыдущие исследования показали, что если синтез определенных клеточных белков блокируется у мышей сразу после того, как произошло событие, у мышей не будет долговременной памяти о событии.
Однако в статье 2015 года Тонегава и его коллеги впервые показали, что воспоминания могут сохраняться даже тогда, когда синтез клеточных белков заблокирован. Они обнаружили, что, хотя мыши не могли вспомнить эти воспоминания в ответ на естественные сигналы, например, будучи помещенными в клетку, где произошло страшное событие, воспоминания все еще были там и могли быть извлечены искусственно с помощью техники, известной как оптогенетика.
Исследователи назвали эти клетки памяти "безмолвные инграммы," и с тех пор они обнаружили, что эти инграммы также могут быть сформированы в других ситуациях. В исследовании мышей с симптомами, имитирующими раннюю болезнь Альцгеймера, исследователи обнаружили, что, хотя у мышей были проблемы с воспроизведением воспоминаний, эти воспоминания все еще существовали и могли быть извлечены оптогенетически.
В более позднем исследовании процесса, называемого системной консолидацией памяти, исследователи обнаружили энграммы в гиппокампе и префронтальной коре, которые кодируют одну и ту же память. Однако энграммы префронтальной коры не работали в течение примерно двух недель после того, как память была изначально закодирована, в то время как инграммы гиппокампа были активны сразу. Со временем память в префронтальной коре стала активной, а инграмма гиппокампа медленно затихла.
В своем новом исследовании PNAS исследователи дополнительно исследовали, как формируются эти безмолвные инграммы, как долго они существуют и как их можно повторно активировать.
Подобно своему оригинальному исследованию 2015 года, они научили мышей бояться того, что их поместят в определенную клетку, с помощью легкого удара ногой. После этой тренировки мыши замирают, когда их снова помещают в клетку. Во время обучения мышей их клетки памяти были помечены светочувствительным белком, который позволяет клеткам повторно активироваться светом. Исследователи также подавили синтез клеточных белков сразу после тренировки.
Они обнаружили, что после обучения мыши не реагировали на возвращение в клетку, где проходила тренировка. Однако мыши действительно замерзали, когда клетки памяти были активированы лазерным светом, когда животные находились в клетке, у которой не должно было возникнуть никаких пугающих ассоциаций. Эти безмолвные воспоминания могут быть активированы лазерным светом на срок до восьми дней после первоначальной тренировки.
Установление связей
Полученные данные подтверждают новую гипотезу Тонегавы о том, что усиление синаптических связей, хотя и необходимо для первоначального кодирования памяти, не является необходимым для ее последующего длительного хранения. Вместо этого он предлагает хранить воспоминания в виде определенного паттерна связей, сформированных между ансамблями инграммных клеток. Эти связи, которые образуются очень быстро во время кодирования, отличаются от синаптического усиления, которое происходит позже (в течение нескольких часов после события) с помощью синтеза белка.
"Мы говорим о том, что даже без синтеза нового клеточного белка, когда новое соединение установлено или уже существующее соединение усиливается во время кодирования, этот новый образец соединений сохраняется," Тонегава говорит. "Даже если вы не можете вызвать естественный вызов памяти, информация из памяти все еще там."
Это вызвало вопрос о цели посткодирующего синтеза белка. Учитывая, что безмолвные энграммы не извлекаются с помощью естественных сигналов, исследователи полагают, что основная цель синтеза белка состоит в том, чтобы дать естественным сигналам воспоминаний возможность эффективно выполнять свою работу.
Исследователи также попытались реактивировать молчащие энграммы, обработав мышей белком PAK1, который способствует образованию синапсов. Они обнаружили, что этого лечения, проведенного через два дня после первоначального события, было достаточно для роста новых синапсов между клетками инграммы. Через несколько дней после лечения мыши, у которых изначально была заблокирована способность вспоминать, замерзали после помещения в клетку, где проходило обучение. Более того, их реакция была такой же сильной, как и у мышей, чьи воспоминания формировались без помех.
По словам Роя, наряду с предыдущими выводами исследователей о немых инграммах при ранней стадии болезни Альцгеймера, это исследование предполагает, что повторная активация определенных синапсов может помочь восстановить некоторую функцию восстановления памяти у пациентов с ранней стадией болезни Альцгеймера.