Разкриват тайните на дългосрочната памет чрез изкуствена хибернация

Екип от учени под ръководството на проф. Казумаса Танака от Звеното за изследване на паметта в Института за наука и технологии в Окинава, установява, че въпреки загубата на множество синапси след принудителна хибернация, мишките запазват паметта си непокътната.

За паметта

Учените вярват, че синаптичната потенция, тоест адаптивното укрепване на клетъчните връзки на мозъка ни, е ключът към запазването на паметта. Изследването на японските учени показва значението за запазване на паметта на синаптичната архитектура от по-висок порядък и предполага, че специфични клъстерни модели на връзки между мозъчните клетки са ключови за запазването на дългосрочната памет.

Хората се нуждаят от физическа памет, която да се съхранява в мозъка подобно на компютрите, казват учените. Тази физическа следа, известна като енграма, се кодира чрез специална мрежа от мозъчни клетки, които претърпяват промени в синапсите си, тоест в местата, където се срещат.

Когато мозъчните клетки се свързват многократно, синапсите им се укрепват и увеличават освобождаването на невротрансмисери. Така предизвикват структурни промени, например, по-големи дендритни шипове, които разширяват контактната площ между двете клетки. Когато обаче някоя от връзките не е особено активна, синаптичните връзки между клетките отслабват и могат да изчезнат напълно.

Като ключови за паметта по традиция се смятат синапсите с по-големи и по-стабилни дендритни шипове. Според изследователите е напълно възможно тези връзки да останат постоянни по време на спомена. В същото време последните проучвания показват, че структурите и броят на клетките, които участват в определена енграма, се променят с течение на времето, но това не влияя на спомените.

Затова екипът си задава напълно резонния въпрос, какво точно се случва с енграмите, което позволява на спомените да се запазят. Според тях фундаменталният въпрос е: Как спомените могат да останат стабилни въпреки обширното структурно ремоделиране на невронните мрежи?

„Разбирането на това как се съхраняват спомените в мозъка, е едно от основните предизвикателства в невронауката. Смята се, че дълготрайните промени в синаптичните връзки осигуряват структурната основа на паметта. Въпреки това последните проучвания разкриха, че синапсите могат да бъдат силно динамични, като дендритните шипове често се появяват и изчезват, невронните групи се променят с течение на времето, а спомените се възстановяват дори след като преди това укрепените синаптични връзки са нарушени“, пишат авторите на проучването в статия с резултатите от него, публикувана в списание Science.

Изкуствената хибернация като инструмент за изследване

В търсене на отговорите учените решават да използват хибернацията. Основата причина е, че това състояние води до драстичното намаляване на мозъчната активност.

Тук е мястото да припомним, че екипът на проф. Такеши Сакурай от Университета за напреднали изследвания в Цукуба, който е съавтор на настоящото изследване, предизвиква за първи път изкуствена хибернация при мишки през 2020 г. Изследването им разкрива кои са мозъчните вериги, нужни, за да се предизвика хибернация и по този начин предоставя нов инструмент за невронаучни изследвания.

„Хибернацията предоставя мощен експериментален модел, с който се изследва структурната основа на стабилността на паметта. По време на хибернацията невронната активност е драстично намалена и голяма част от синапсите изчезват, но спомените остават непокътнати, след като животните се върнат в нормални физиологични условия“, пишат авторите.

Това, което екипът наблюдава по време и след изкуствената хибернация в мозъците на мишки, е, че повече от половината синапси в хипокампуса изчезват, а честотата на невронните възбуди, която е мярка за мозъчна активност, намалява с приблизително 70%. Установяват още, че елиминирането на синапсите не се влияе от размера на дендритните шипове. Вероятността да бъдат премахнати имат както синапсите с големи, така и тези с малки шипове.

В същото време, признават изследователите, изненадата идва при поведенческите тестове, проведени след края на изкуствената хибернация. И тя е, че паметта на животните остава същата и дори в някои от случаите става по-добра.

„Беше изумително. Логично е, че ако всички наши енграмни синапси са били от съществено значение за запазване на паметта, както традиционно се смяташе, то тя, паметта, би трябвало да се е влошила значително“, коментира един от авторите д-р Ю-Джу Лин.

Техническият пробив в микроскопията

Защо запаметяването остава непокътнато или се подобрява е следващият въпрос, на който учените търсят отговор. И за да го направят, те използват техниката CLEM – корелативна светлинно-електронна микроскопия.

Инж. Аи Такахаши разяснява, че CLEM е комбинация между флуоресцентна и електронна микроскопия с висока резолюция.

„Като маркираме проби с флуоресцентни маркери можем да видим различни части на клетката или организма в различни цветове. И това може да ни помогне да определим, например, важни протеини. А след това като използваме електронната микроскопия, сме в състояние да увеличим същите тези области, за да изследваме подструктурите с много по-големи детайли“, обяснява процеса инж. Такахаши. Тя уточнява още, че електронната микроскопия не може да бъде използвана за проследяване на промените в живия мозък, способна е да улавя мозъчни структури само в един момент, а това прави идентифицирането на енграмите – мрежите от специфични клетки и синапси, които са част от паметта, истинското предизвикателство.

Всъщност настоящото проучване е първото, което използва CLEM за наблюдение на енграми, а това е само по себе си значително постижение, тъй като енграмните синапси са малки и оскъдни.

Екипът извършва прецизната съпоставка на наборите от данни от светлинната и електронна микроскопия, а това го прави първият, който идентифицира и изобразява синапси на енграми чрез техника.

Учените маркират флуоресцентно синапсите, за които се смята, че участват в определена следа от паметта. Изследва ги както преди, така и след изкуствената хибернация. Резултатът е, че синапсите намаляват значително, но има клъстери от тях, които остават незасегнати.

„Това предполага, че за дългосрочната памет са важни само определени групи от синапси, останалите може да са ненужни“, коментира проф. Танака и подчертава, че откриват нещо интересно. А то е, че размерът на дендритните шипове, за който е доказано, че се увеличава при първоначалното кодиране на паметта, изглеждане не играе роля за запазването й.

Изследователите поясняват, че наблюдават тази интересна корелация между клъстерите и запаметяването, но все още не са доказали причинно-следвствената връзка.

Механизмите за запазване на паметта

Екипът, обединяващ учени от няколко авторитетни, академични институции в Япония, се надява, че ще продължи активно изследванията си върху спомените, защото целта е да бъдат разбрани механизмите, чрез които тези основни групи са защитени.

Проф. Казумаса Танака казва, че той и колегите му успяват да разкрият част от елементите на архитектурата, нужна за запазването на паметта, но: „Има още много въпроси за изследване, сред които са, как мозъкът поддържа тази структура с течение на годините и как си взаимодействат различните спомени.“

Сега усилията са насочени към проучването на други аспекти на изкуствената хибернация.

„Настоящата ни работа е фокусирана върху мишки, но същата невронна верига за хибернация е добре запазена при много бозайници и при хора. Затова чрез изследвания на изкуствена хибернация може да открием новости, които могат да бъдат пренесени върху човешкото здраве и невронауката“, убеден е проф. Танака, който припомня и основният извод от изследването, което ръководи. А той е, че откритията им разкриват, че паметта може да остане стабилна въпреки широко разпространената загуба на синапси. Вместо да разчита единствено на силата на отделните синапси, мозъкът може да съхранява спомени чрез структурна архитектура от по-висок порядък, вградена в невронните мрежи.