Выключатель нейронов открыл биологам тайну памяти

Учёные давно знают, что ключевым "устройством", отвечающим за запись новых воспоминаний (при обучении или получении новых впечатлений) в долговременную память, является небольшая часть мозга, называемая гиппокампом.

С ним уже не раз проводили различные эксперименты, проясняющие, как гиппокамп перекодирует информацию. И хотя он устроен куда проще, чем весь мозг в целом, даже этот небольшой "узел", нечто вроде "шины данных" в компьютере, всё ещё скрывает в себе массу тайн.

Ранее мы рассказывали, о проекте построения электронного гиппокампа. В той работе учёные снимали сигналы с нейронов и пытались вычислить, что именно делает гиппокамп со входящими импульсами и какие при этом формирует импульсы на выходе. А другая группа однажды даже построила комбинированную схему — чип и гиппокамп крысы, всё с теми же исследовательскими целями.

Зелёным показан район гиппокампа мыши, в котором техника DICE-K заблокировала передачу нервных сигналов (фото Toshi Nakashiba, MIT).

Однако такая стратегия анализа "чёрного ящика" — не самый продуктивный путь. Потому множество исследователей пытается тем или иным образом повлиять на гиппокамп подопытных животных, чтобы по изменениям в работе их памяти и в интеллекте понять — что происходит внутри.

Среди этих экспериментаторов — Сусуму Тонегава (Susumu Tonegawa) и его коллеги из института обучения и памяти Пикауэра (Picower Institute for Learning and Memory) Массачусетского технологического института (MIT).

Тонегава занимается изучением механизмов памяти очень давно. Это он в 2004 году нашёл "ферментный ключ" к долговременной памяти, а в 2007-м отыскал в мозге источник дежавю.

Теперь Сусуму совершил прорыв в изучении гиппокампа. Впервые учёные смогли произвольно выключить и включить строго определённую нейронную "схему" в мозге живого существа (мыши) и проследить эффект от такого переключения. Более того, экспериментаторы сумели уже в гиппокампе выключить и включить определённую его часть.

Переключатель исследователи использовали оригинальный. В лаборатории Тонегавы был изобретён новый метод блокирования нейронных связей: "Доксициклин-ингибированное подавление клеточного экзоцитоза" (то есть выделения медиаторов) — doxycycline-inhibited circuit exocytosis-knockdown (DICE-K).

Кстати, химический метод воздействия на гиппокамп (только с иным веществом) применяла другая научная группа, которая некогда стёрла воспоминания у крыс.

Схема нейронных связей гиппокампа мыши. Правой стрелкой показан сигнал, идущий от энторинальной коры (иллюстрация Toshi Nakashiba, MIT).

Гиппокамп состоит из нескольких участков (CA1, CA3, зубчатая извилина), напоминают американские экспериментаторы. Они соединены между собой несколькими нейронными "схемами". Одну из них называют трёхсинаптический путь (tri-synaptic pathway — TSP). Он переносит информацию по маршруту: энторинальная кора (ЭК) — зубчатая извилина — CA3 — CA1 — ЭК. Моносинаптическая же "дорожка" (MSP), работающая параллельно, куда короче: ЭК — CA1 — ЭК.

Применив DICE-K, исследователи с удивлением обнаружили, что мыши, у которых основной путь обработки информации (TSP) был выключен, всё ещё могли учиться ориентироваться лабиринте. Короткого пути MSP было достаточно для такой работы.

Однако запоминание пути в лабиринте, говорят авторы опыта, это задача, которая выполняется медленно, за многие попытки прохождения. А вот когда мышей направляли на иные испытания, в условиях, которые требовали быстрого обучения и формирования памяти с "первой попытки", исследователи обнаружили, что животные с блокированным TSP не могут выполнять эти задачи.

О своих опытах Тонегава и его коллеги отчитались в своей статье в Science.

Таким образом, TSP оказался необходим для быстрого закрепления информации в новых условиях. "Этот вид обучения есть результат работы самых сложных форм памяти, тех, что делают животных более умными, и, тех, что ухудшаются с возрастом", — объяснил Сусуму.

Учёный продолжил: "Наши данные убедительно свидетельствуют о том, что TSP в гиппокампе играет ключевую роль в быстром формировании памяти, когда в повседневной жизни возникают новые события и эпизоды. Наши результаты показывают, что снижение этих способностей, как, например, при нейродегенеративных заболеваниях и старении здоровых людей, может быть обусловлено, по крайней мере, частично, "отказами" в этой схеме".

Получается, что, поняв механизм естественных сбоев в "микросхеме" TSP, биологи и медики могут научиться лечить ряд заболеваний. За это мыши и страдают. Теперь не так сильно.