Как мозг формирует воспоминания: нейробиологи выяснили, что наш опыт дробится на миллисекунды
В нейробиологии всегда доминировало представление о памяти как о непрерывном процессе записи. Когда живой организм попадает в новую среду, сталкивается с угрозой и реагирует на нее, предполагалось, что весь этот опыт сохраняется в виде единого физического следа — непрерывной цепи связанных нейронов. Этот физический носитель воспоминания называется энграммой.
Однако последние данные показывают, что мозг не фиксирует событие монолитно. Процесс формирования памяти подразумевает жесткую сегментацию получаемого опыта. Исследователи из CNRS в Париже и Калифорнийского университета доказали, что разные секунды одного и того же события записываются в совершенно независимые группы клеток. Более того, для последующего извлечения воспоминания мозгу требуются далеко не все из этих групп.
Чтобы прийти к этому выводу, ученым потребовалось преодолеть одно из основных технических ограничений современной нейрофизиологии — низкое временное разрешение при маркировке клеток.
Проблема медленной фиксации
Чтобы понять, какие именно нейроны кодируют конкретное воспоминание, исследователи, как правило, ориентировались на процессы синтеза белков внутри клетки. Когда нейрон активно проводит сигнал, в нем запускается экспрессия так называемых ранних генов. Ученые научились связывать эти гены со светящимися или светочувствительными белками, помечая таким образом работающие клетки.
Главный недостаток этого метода заключается в его скорости. Выработка белка занимает от нескольких минут до нескольких часов. Из-за этого период маркировки остается открытым слишком долго.
В классическом эксперименте животное помещают в новую клетку, где оно через некоторое время получает легкий удар током, пугается и замирает. При использовании традиционных методов в итоговый массив помеченных нейронов попадали все клетки подряд: те, что работали при первоначальном исследовании пространства, те, что реагировали на саму боль, и те, что управляли реакцией замирания. Разделить этот массив на функциональные составляющие было невозможно. Ученые видели лишь общий итог нейронной активности за длительный промежуток времени.
В новом исследовании авторы применили систему высокоскоростной биохимической маркировки f-FLiCRE. Эта технология работает иначе: она помечает нейрон только в том случае, если одновременно выполняются два условия. Во-первых, внутри клетки должен резко повыситься уровень кальция (прямой физиологический показатель того, что нейрон возбужден именно сейчас). Во-вторых, в эту же миллисекунду на клетку должен воздействовать синий свет от вживленного оптоволокна.
Контролируя подачу света с точностью до долей секунды, исследователи смогли изолировать нейроны, которые работали в строго заданные, краткосрочные моменты формирования памяти.
Разделение непрерывного опыта
Исследователи деконструировали процесс получения негативного опыта. Они выделили четыре строгих хронологических этапа пребывания мыши в экспериментальной камере с электрическим полом:
- До стимула: период, когда животное просто перемещается и изучает новую обстановку, собирая пространственную информацию.
- Удар током: точный момент подачи болевого раздражителя.
- Замирание: физиологическая реакция защиты, при которой животное полностью останавливается после получения удара.
- Вне замирания: периоды обычного движения животного между приступами страха после того, как удар током уже произошел.
Используя технологию f-FLiCRE, ученые создали четыре независимые группы мышей. В каждой группе синий свет включался только во время одного из перечисленных этапов. Таким образом, в мозге разных животных были оптогенетически помечены нейроны, отвечающие исключительно за свой узкий фрагмент опыта в зоне CA1 гиппокампа — области мозга, критически важной для формирования контекстной памяти.
Первый результат структурного анализа показал, что эти четыре популяции клеток физически обособлены. Уровень пересечения между ними составил в среднем около одного процента. Нейроны, фиксирующие обстановку до удара, нейроны, реагирующие на сам удар, и нейроны, обеспечивающие реакцию замирания — это разные, не совпадающие друг с другом элементы нейронной сети. Одно событие записывается не в один кластер, а распределяется по разным популяциям.
Проверка достаточности и необходимости
Чтобы выяснить, какая из этих изолированных групп действительно хранит воспоминание, ученые провели тест на искусственное извлечение памяти.
На следующий день животных помещали в совершенно новую, нейтральную среду, где их никогда не били током. Затем через оптоволокно подавался желтый свет, который принудительно активировал только те клетки, которые были помечены в первый день.
В результате, активация клеток группы «до стимула» не привела ни к какому результату. Животные продолжали вести себя спокойно. Точно так же не сработала стимуляция клеток «вне замирания». Это означает, что нейроны, фиксировавшие контекст помещения до получения травмирующего опыта, не способны самостоятельно запустить воспоминание об опасности.
Однако, когда лазер активировал клетки группы «удар током» или группы «замирание», мыши немедленно демонстрировали реакцию страха в безопасной среде. Искусственное воспоминание запускало реальное поведение.
Для подтверждения этих данных исследователи провели обратный эксперимент — с подавлением активности. Оказалось, что если заблокировать работу клеток «до стимула», животное все равно вспомнит об опасности при возвращении в ту же камеру. Но если заблокировать клетки «удара током» или «замирания», мышь теряет способность к естественному припоминанию.
Следовательно, не весь записанный опыт становится рабочей частью энграммы. Для того чтобы воспоминание было сформировано и могло быть извлечено в будущем, необходимы и достаточны только те нейроны, которые напрямую связаны с сильным внешним раздражителем и внутренней реакцией на него. Первичная обработка контекста отбрасывается механизмом памяти как нерелевантная для выживания.
Различная динамика внутри энграммы
Тот факт, что стимуляция как клеток «удара», так и клеток «замирания» запускает воспоминание, не означает, что они работают одинаково. Чтобы изучить их внутреннюю динамику, исследователи применили методы прижизненной кальциевой визуализации. С помощью миниатюрных микроскопов, закрепленных на голове животных, ученые отслеживали активность отдельных нейронов на протяжении нескольких дней.
Анализ показал существенную разницу в поведении этих двух популяций клеток во время естественного припоминания (когда животное само вспоминает страх, без воздействия лазера).
Нейроны группы «замирание» характеризуются высокой степенью синхронизации. В момент припоминания страха математическая корреляция их сигналов резко возрастает — они активируются как единая система. Нейроны группы «удар током» не демонстрируют подобной синхронизации при извлечении памяти на следующий день.
Различия проявились и при искусственной оптической стимуляции. Только активация клеток «замирания» вызывала уровень страха, который коррелировал с интенсивностью изначального испуга животного. Кроме того, после выключения лазера состояние тревоги сохранялось только в том случае, если стимулировалась группа «замирание». Активация клеток «удара током» вызывала страх ровно на то время, пока работал лазер, после чего реакция мгновенно исчезала.
Значение результатов
Полученные данные требуют пересмотра базовых моделей нейробиологии памяти. Формирование воспоминания — это не просто процесс сохранения всех поступающих данных. Мозг активно сегментирует информацию уже на этапе ее поступления.
Структура страха в гиппокампе не опирается на предварительные данные об окружающей среде. Столкновение с болевым стимулом вызывает радикальную перестройку нейронной активности: информация, которая обрабатывалась до стимула, отделяется от самого воспоминания об угрозе.
Рабочее ядро памяти, способное в будущем предупредить организм об опасности, формируется исключительно из двух компонентов: точной фиксации внешнего повреждающего стимула и записи собственного физиологического ответа организма на этот стимул. При этом именно нейроны, кодирующие внутреннюю реакцию, обеспечивают стабильность и синхронность извлечения воспоминания с течением времени.
Источник:biorxiv
