Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память

Новое исследование Чикагского университета ставит под сомнение устоявшиеся представления о том, как синаптическая пластичность влияет на память и обучение. Когда животные сталкиваются с новым опытом, связи между их нейронами, известные как синапсы, регулируются по силе в зависимости от активности мозга, которую он запускает. Этот процесс, называемый синаптической пластичностью, по широко распространенному мнению нейробиологов, играет ключевую роль в том, как хранятся воспоминания.

Несмотря на свою важность, точные механизмы, определяющие, когда и насколько изменяются синапсы, остаются неясными. Традиционная точка зрения гласит, что когда два нейрона часто активируются вместе, их связь усиливается, в то время как активация по отдельности ослабляет связь.

Однако новое исследование Чикагского университета ставит под сомнение эту простую модель. Сосредоточившись на гиппокампе, регионе, критически важном для памяти, исследование обнаружило, что другие, менее понятные правила синаптической пластичности могут иметь большее влияние, предлагая более точное объяснение того, как активность мозга формирует память с течением времени.

Модели активности и их нейронные представления сильно меняются по мере того, как животное все больше знакомится с новой средой или опытом. Удивительно, но эти модели продолжают развиваться даже после того, как что-то изучено, хотя и медленнее.

«Когда вы входите в комнату, она сначала кажется новой, но она быстро становится вам знакомой каждый раз, когда вы возвращаетесь, — сказал Марк Шеффилд, доктор философии, доцент кафедры нейробиологии Института нейронауки Чикагского университета и старший автор нового исследования. — Итак, можно ожидать, что нейронная активность, представляющая эту комнату, стабилизируется и станет стабильной, но она продолжает меняться».

По его словам, эти изменения в репрезентации, во время обучения и после, должны быть обусловлены синаптической пластичностью, но какой именно — этот вопрос интересует ученых. «Трудно сказать, потому что у нас нет технологии, чтобы измерить это напрямую у животных», — добавил он.

Нобелевская премия по медицине 2014 года была присуждена за открытие «клеток места»: нейронов в гиппокампе, которые активируются только тогда, когда животное находится в определенном месте в комнате, называемом «полем места». У разных нейронов поля места находятся в разных местах комнаты, охватывая всю окружающую среду и формируя то, что известно как когнитивная карта.

В новом исследовании доктор философии Антуан Мадар, научный сотрудник лаборатории Шеффилда, изучал активность клеток места, зарегистрированную в мозге мышей, когда они бегали по разным средам. Сначала они бегали по знакомой среде, а затем переключались на незнакомую.

Исследователи ожидали увидеть те же самые паттерны активности, когда мыши находились в знакомом им месте, и другие паттерны, когда они узнавали новую среду. Вместо этого они увидели, что активность каждый раз немного отличалась, и предположили, что эти изменения отражают синаптическую пластичность.

Чтобы понять, что движет этими постоянными изменениями в нейронных представлениях, Мадар построил вычислительную модель нейронов гиппокампа, а затем применил различные правила пластичности, чтобы посмотреть, заставят ли они клетки места вести себя по тем же шаблонам, которые наблюдаются в данных мышей.

Вместо традиционного правила «нейроны, которые активируются вместе, связываются вместе», известного как пластичность, зависящая от времени спайков Хебба (STDP), другое, не-Хеббианское правило, называемое поведенческой временной синаптической пластичностью (BTSP), лучше всего объясняло динамику сдвига поля места.

Некоторые изменения в активности клеток места были едва заметными; клетка активировалась в немного другом месте, чем в предыдущий раз. Другие были более радикальными, перескакивая в совершенно другое место. STDP может объяснить только небольшие постепенные сдвиги, сказал Мадар, но BTSP может объяснить весь спектр траекторий сдвига, включая большие нелинейные сдвиги.

«Мы много знаем о физиологии, которая поддерживает синаптическую пластичность, но мы обычно не знаем, насколько важны эти вещи для обучения, — сказал Мадар. — Наше исследование предоставляет доказательства того, что BTSP оказывает большее влияние, чем STDP, на формирование активности гиппокампа во время ознакомления».

BTSP — сравнительно недавнее открытие, поэтому Мадар сказал, что сравнение их данных и моделей позволило им многое узнать об этом новом правиле пластичности. Например, они знали, что BSTP запускается большими скачками количества кальция внутри клеток, но они не знали, как часто происходят эти скачки.

Новое исследование показывает, что хотя эти скачки редки, они происходят чаще, когда животное учится и формирует новые воспоминания. Исследователи также обнаружили, что после формирования поля места вероятность этих событий, запускающих BTSP, следует простой убывающей схеме, с небольшими вариациями в разных областях мозга или уровнях знакомства.

«Этого достаточно, чтобы объяснить удивительное разнообразие в динамике индивидуальных пространственных полей, которое мы наблюдали», — сказал Мадар.

Хотя исследования показывают, что активность гиппокампа гораздо более динамична во время формирования памяти, чем считалось ранее, до сих пор не ясно, какой цели могут служить эти меняющиеся представления.

«Постоянно развивающиеся нейронные репрезентации могут помочь мозгу различать похожие воспоминания, которые произошли в одном и том же месте, но в разное время, что является очень важным процессом для предотвращения патологической путаницы памяти, характерной для множества неврологических и когнитивных расстройств», — сказал Мадар.

«Каждый раз, когда вы возвращаетесь в комнату, в которой сидите, вы каким-то образом можете отследить, что вы в той же комнате. Но это другой день и другое время, верно? Вы никогда не сможете полностью повторить опыт, и каким-то образом мозг все это отслеживает», — сказал он.

«Итак, одна из идей заключается в том, что эта динамика в представлениях памяти кодирует именно это. Они кодируют небольшие изменения в опыте, например, вы пьете кофе один раз, а позже обедаете в той же комнате. Эти тонкие различия в обстановке, запахах, времени — все эти небольшие изменения в опыте могут быть закодированы в памяти через изменения в этих полях места. Они не просто кодируют среду; они кодируют весь опыт, который там происходит», — заключает он.

Также исследователи давно задумываются над неспособностью вспоминать события, произошедшие до двух-трехлетнего возраста. Еще в 1905 году Зигмунд Фрейд ввел термин «детская амнезия», имея в виду специфическую амнезию, которая у большинства людей, хотя и не у всех, скрывает самые ранние моменты их детства. До недавнего времени исследователи считали, что мозг молодых людей недостаточно развит для формирования устойчивых воспоминаний.