Используя новейшие генетические инструменты и искусственный интеллект, ученые Института Скриппса обнаружили ключевые структурные признаки долговременной памяти, называемые энграммами. Работа опубликована в журнале Science.
Ученые описали ключевые структурные признаки долговременной памяти
Используя новейшие генетические инструменты и искусственный интеллект, ученые Института Скриппса обнаружили ключевые структурные признаки долговременной памяти, называемые энграммами. Исследование показывает новые направления в развитии методов лечения потери памяти и когнитивных нарушений, связанных со старением и нейродегенеративными заболеваниями.
Мозг мыши. Wu Tsai Neurosciences Institute, Stanford Univ.
Энграмма памяти — термин, введенный немецким биологом Рихардом Земоном в начале XX века. Энграмма означает некоторую физическую «запись» памяти. В течение многих лет ученые пытаются выяснить, каков механизм такой «записи». Кажется, они приблизились к пониманию этого фундаментального механизма.
«Наша работа использует последние технологические разработки в различных областях», — говорит ведущий автор исследования Марко Уйтиепо из Научно-исследовательского института Скриппса. — «Мы использовали 3D-визуализацию высокого разрешения, чтобы выявить сложную архитектуру мозговых цепей, которые хранят следы памяти с высокой детализацией. Поскольку анализ этих изображений с помощью обычных компьютерных программ может занять годы, мы в значительной степени полагались на алгоритмы ИИ, чтобы ускорить обработку данных».
Как формируются энграммы памяти
Ультраструктурный анализ физических субстратов энграмм памяти в гиппокампе мыши.
(A) Обзор экспериментальной схемы. (B) Насыщенная 3D-EM реконструкция возбуждающих синапсов в stratum radiatum дорсальной области CA1. (C) Диаграмма, иллюстрирующая отсутствие преимущественной проводки между проекционными нейронами, активируемыми во время ассоциативного обучения в областях CA3 и CA1, наряду с расширением аксональных сетей нейронов CA3. (D) Диаграмма, изображающая расширение аксональных связей в начальных ансамблях энграмм за счет атипичных MSB. Также показано 3D-изображение отдельного MSB, соединяющегося с тремя дендритными ветвями (D1-D3).
Исследователи сосредоточились на гиппокампе, области мозга, критически важной для обучения и памяти как у животных, так и у людей. Ученые использовали мышиные модели для маркировки и идентификации нейронов, активируемых во время выполнения учебной задачи, а затем с разрешением в нанометровом масштабе реконструировали их синаптические связи (соединения, где нейроны общаются).
В нейронных синапсах химические сигналы обычно передаются от одного нервного окончания — заполненной пузырьками (везикулами с нейромедиатором) области аксона, который секретируют эти сигналы, — к постсинаптическому участку на дендрите принимающей клетки.
Многие предыдущие исследования (с использованием методов оптической визуализации с более низким разрешением) предполагали, что обучение требует увеличения числа синапсов. Однако группа обнаружила, что это не всегда так — общее число и расположение изолированных синапсов остаются неизменными после формирования памяти.
Вместо этого нейроны, выделенные для энграммы, расширяют свою связь через мультисинаптические бутоны (MSB) — специализированные окончания аксонов, которые одновременно передают сигналы до шести различным дендритам, а не только одному. Эти MSB были не только более многочисленны вдоль аксонов активированных нейронов, но и структурно более сложны.
Различие между мультисинаптическим соединением (справа) и соединением один аксон-один дендрит (слева).
Также команда обнаружила, что нейроны энграмм в соседних областях гиппокампа не связываются друг с другом, что противоречит широко распространенному мнению нейробиологов. Вместо этого расширение сети нейронов энграмм через MSB привело к подключению нейронов, которые не были задействованы во время обучения.
Исследователи обнаружили, что нейроны энграмм демонстрируют мелкомасштабные изменения в архитектуре своих индивидуальных синапсов, включая изменения во внутриклеточных органеллах, таких как митохондрии и гладкий эндоплазматический ретикулум. Кроме того, эти нейроны демонстрируют улучшенное взаимодействие с астроцитами — глиальными клетками, которые регулируют синаптическую функцию и обеспечивают метаболическую поддержку.
Теперь исследователи стремятся определить, работают ли подобные механизмы в других мозговых цепях и способствуют ли их расстройство потере памяти. Кроме того, MSB стали многообещающими терапевтическими целями.
«Возможностью воздействия на MSB с помощью лекарств дает новый подход для лечения расстройств памяти», — говорит Марко Уйтиепо. — «Однако достижение этой цели потребует разработки новых инструментов для анализа молекулярного состава MSB, который остается неизученным. Мы уже добились прогресса в этом направлении, но впереди еще много работы».