Где в мозгу хранятся воспоминания?

Все запоминающие устройства, от вашего мозга до оперативной памяти вашего компьютера, хранят информацию, изменяя свои физические свойства. Более 130 лет назад новатор-нейробиолог Сантьяго Рамони-и-Кахаль впервые предположил, что мозг хранит информацию, перестраивая связи или синапсы между нейронами.

С тех пор нейробиологи пытались понять физические изменения, связанные с формированием памяти. Но визуализировать и картировать синапсы сложно. Во-первых, синапсы очень маленькие и плотно прилегают друг к другу.

Они примерно в 10 миллиардов раз меньше, чем самый маленький объект, который может визуализировать стандартная клиническая МРТ. Кроме того, в мозгу мышей примерно 1 миллиард синапсов, которые исследователи часто используют для изучения функций мозга, и все они имеют такой же непрозрачный или полупрозрачный цвет, как и окружающая их ткань.

Однако новая техника визуализации, которую мы с коллегами разработали, позволила нам картировать синапсы во время формирования памяти. Мы обнаружили, что процесс формирования новых воспоминаний изменяет то, как клетки мозга связаны друг с другом. В то время как одни области мозга создают больше связей, другие их теряют.

Картирование новых воспоминаний у рыб

Ранее исследователи сосредоточились на записи электрических сигналов, генерируемых нейронами. Хотя эти исследования подтвердили, что нейроны меняют свою реакцию на определенные раздражители после формирования памяти, они не смогли точно определить, что вызывает эти изменения.

Чтобы изучить, как физически меняется мозг при формировании новой памяти, мы создали 3D-карты синапсов рыбок данио до и после формирования памяти. Мы выбрали рыбок данио в качестве испытуемых, потому что они достаточно велики, чтобы иметь мозг, функционирующий как у людей, но достаточно малы и прозрачны, чтобы открывать окно в живой мозг.

Чтобы вызвать у рыб новую память, мы использовали тип процесса обучения, кальян на дом называемый классическим обусловливанием. Это предполагает одновременное воздействие на животное двух разных типов раздражителей: нейтрального, не вызывающего реакции, и неприятного, которого животное старается избегать. Когда эти два стимула соединяются вместе достаточное количество раз, животное реагирует на нейтральный стимул, как если бы это был неприятный стимул, указывая на то, что оно создало ассоциативную память, связывающую эти стимулы вместе.

В качестве неприятного раздражителя мы осторожно нагревали голову рыбы инфракрасным лазером. Когда рыба махнула хвостом, мы восприняли это как признак того, что она хочет убежать. Когда рыба затем подвергается воздействию нейтрального раздражителя, включение света, дергание хвостом означают, что она вспоминает, что произошло, когда она ранее сталкивалась с неприятным раздражителем.

Чтобы создать карты, мы генетически сконструировали рыбок данио с нейронами, которые производят флуоресцентные белки, которые связываются с синапсами и делают их видимыми. Затем мы визуализировали синапсы с помощью изготовленного на заказ микроскопа, который использует гораздо меньшую дозу лазерного излучения, чем стандартные устройства, которые также используют флуоресценцию для создания изображений. Поскольку наш микроскоп причинял меньше вреда нейронам, мы смогли визуализировать синапсы без потери их структуры и функции.

Когда мы сравнили 3D-карты синапсов до и после формирования памяти, мы обнаружили, что нейроны в одном отделе мозга, переднелатеральном дорсальном мундштуке, развили новые синапсы, в то время как нейроны преимущественно во втором участке, переднемедиальном дорсальном мундштуке, потеряли синапсы. Это означало, что новые нейроны объединялись в пары, а другие разрушали свои связи. Предыдущие эксперименты показали, что спинной мозг рыб может быть аналогичен миндалевидному телу млекопитающих, где хранятся воспоминания о страхе.

Удивительно, но изменения силы существующих связей между нейронами, произошедшие при формировании памяти, были небольшими и неотличимы от изменений у контрольных рыб, не формировавших новых воспоминаний. Это означало, что формирование ассоциативной памяти включает в себя формирование и потерю синапсов, но не обязательно изменение силы существующих синапсов, как считалось ранее.

Может ли удаление синапсов удалить воспоминания?

Наш новый метод наблюдения за работой клеток мозга может открыть дверь не только для более глубокого понимания того, как на самом деле работает память, но и для потенциальных путей лечения нейропсихиатрических состояний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость.

Ассоциативные воспоминания, как правило, намного сильнее, чем другие типы воспоминаний, например, сознательные воспоминания о том, что вы вчера ели на обед. Кроме того, считается, что ассоциативные воспоминания, вызванные классическим обусловливанием, аналогичны травматическим воспоминаниям, вызывающим посттравматическое стрессовое расстройство. В противном случае безобидные стимулы, подобные тем, которые кто-то испытал во время травмы, могут вызвать болезненные воспоминания. Например, яркий свет или громкий шум могут вызвать воспоминания о бое. Наше исследование раскрывает роль, которую синаптические связи могут играть в памяти, и может объяснить, почему ассоциативные воспоминания могут длиться дольше и запоминаться более ярко, чем другие типы воспоминаний.

В настоящее время наиболее распространенным методом лечения посттравматического стрессового расстройства является экспозиционная терапия, включающая многократное воздействие на пациента безвредного, но провоцирующего стимула, чтобы подавить воспоминание о травмирующем событии. Теоретически это косвенно ремоделирует синапсы мозга, чтобы сделать воспоминания менее болезненными. Несмотря на некоторый успех экспозиционной терапии, пациенты склонны к рецидивам. Это говорит о том, что основная память, вызывающая травматический ответ, не была устранена.

До сих пор неизвестно, действительно ли генерация и потеря синапсов влияют на формирование памяти. Моя лаборатория разработала технологию, позволяющую быстро и точно удалять синапсы, не повреждая нейроны. Мы планируем использовать аналогичные методы для удаления синапсов у рыбок данио или мышей, чтобы посмотреть, изменяет ли это ассоциативную память.

С помощью этих методов возможно физически стереть ассоциативные воспоминания, лежащие в основе разрушительных состояний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость. Однако, прежде чем такое лечение может быть даже рассмотрено, необходимо более точно определить синаптические изменения, кодирующие ассоциативные воспоминания. И, очевидно, существуют серьезные этические и технические препятствия, которые необходимо устранить. Тем не менее, заманчиво представить далекое будущее, в котором синаптическая хирургия могла бы удалять плохие воспоминания.

Дон Арнольд, профессор биологических наук и биомедицинской инженерии, Дорнсайфский колледж литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии.