Все запоминающие устройства, от вашего мозга до оперативной памяти вашего компьютера, хранят информацию, изменяя свои физические свойства. Более 130 лет назад новатор-невролог Сантьяго Рамон-и-Кахаль впервые предположил, что мозг хранит информацию, перестраивая связи, или синапсы, между нейронами.
С тех пор нейробиологи пытались понять физические изменения, связанные с формированием памяти. Но визуализировать и картировать синапсы сложно. Во-первых, синапсы очень маленькие и плотно прилегают друг к другу. Они примерно в 10 миллиардов раз меньше, чем самый маленький объект, который может визуализировать стандартный аппарат МРТ. Кроме того, в мозгу лабораторной мыши, которые часто используются для изучения функций мозга, примерно 1 миллиард синапсов, и все они имеют такой же цвет, как и окружающая их ткань.
Однако новая техника визуализации, которую недавно разработала группа ученых, позволила фиксировать синапсы во время формирования памяти. Исследователи обнаружили, что процесс формирования новых воспоминаний изменяет то, как клетки мозга связаны друг с другом. Еще одним интересным наблюдением стало то, что когда одни области мозга создают больше связей, другие их теряют.
Ранее исследователи занимались записью электрических сигналов, генерируемых нейронами. Хотя эти исследования подтвердили, что нейроны меняют свою реакцию на определенные раздражители после формирования памяти, они не смогли точно определить, что вызывает эти изменения.
Чтобы изучить, как физически меняется мозг при формировании новой памяти, команда ученых из Университета Южной Калифорнии создала 3D-карты синапсов рыбок данио до и после формирования памяти. Выбор рыбок данио в качестве испытуемых был обусловлен тем, что они достаточно велики, чтобы иметь мозг, функционирующий как у людей, но достаточно малы и прозрачны, чтобы за этим мозгом было легко наблюдать.
Чтобы спровоцировать у рыб появление новых воспоминаний, исследователи использовали тип процесса обучения, называемый классическим обусловливанием. Оно предполагает одновременное воздействие на животное двух разных типов раздражителей: нейтрального, не вызывающего реакции, и неприятного, которого животное старается избегать. Когда эти два стимула соединяются вместе достаточное количество раз, животное реагирует на нейтральный стимул, как если бы это был неприятный стимул, указывая на то, что оно создало ассоциативную память, связывающую эти стимулы вместе.
В качестве неприятного раздражителя был выбран нагрев головы рыбы инфракрасным лазером. Взмах хвоста рыбы воспринимался как рефлекс — рыба хочет сбежать. Когда рыба затем подвергается воздействию нейтрального раздражителя, включение света, дергание хвостом означают, что она вспоминает, что произошло, когда она ранее сталкивалась с неприятным раздражителем.
Чтобы создать карты, ученые генетически сконструировали рыбок данио с нейронами, которые производят флуоресцентные белки, которые связываются с синапсами и делают их видимыми. Затем они визуализировали синапсы с помощью изготовленного на заказ микроскопа, который использует гораздо меньшую дозу лазерного излучения, чем стандартные устройства, которые также используют флуоресценцию для создания изображений. Поскольку используемый микроскоп причинял меньше вреда нейронам, ученые смогли визуализировать синапсы без потери их структуры и функций.
Когда ученые сравнили 3D-карты синапсов до и после формирования памяти, они обнаружили, что нейроны в одном отделе мозга, переднелатеральном дорсальном мундштуке, развили новые синапсы, в то время как нейроны преимущественно во втором участке, переднемедиальном дорсальном мундштуке, потеряли синапсы. Это означало, что новые нейроны объединялись в пары, а другие разрушали свои связи. Предыдущие эксперименты показали, что спинной мозг рыб может быть аналогичен миндалевидному телу млекопитающих, где хранятся воспоминания о страхе.
Удивительно, но изменения силы существующих связей между нейронами, произошедшие при формировании памяти, были небольшими и неотличимы от изменений у контрольных рыб, не формировавших новых воспоминаний. Это означало, что формирование ассоциативной памяти включает в себя формирование и потерю синапсов, но не обязательно изменение силы существующих синапсов, как считалось ранее.
Удаление синапсов = удаление воспоминаний?
Ассоциативные воспоминания, как правило, намного сильнее, чем другие типы воспоминаний, например, сознательные воспоминания о том, что вы вчера ели на обед. Кроме того, считается, что ассоциативные воспоминания, вызванные классическим обусловливанием, аналогичны травматическим воспоминаниям, вызывающим посттравматическое стрессовое расстройство. В противном случае безобидные стимулы, подобные тем, которые кто-то испытал во время травмы, могут вызвать болезненные воспоминания. Например, яркий свет или громкий шум могут вызвать воспоминания о бое. Проведенное исследование раскрывает роль, которую синаптические связи могут играть в памяти, и может объяснить, почему ассоциативные воспоминания могут длиться дольше и запоминаться более ярко, чем другие типы воспоминаний.
В настоящее время наиболее распространенным методом лечения посттравматического стрессового расстройства является экспозиционная терапия, включающая многократное воздействие на пациента безвредного, но провоцирующего стимула, чтобы подавить воспоминание о травмирующем событии. Теоретически это косвенно ремоделирует синапсы мозга, чтобы сделать воспоминания менее болезненными. Несмотря на некоторый успех экспозиционной терапии, пациенты склонны к рецидивам. Это говорит о том, что основная память, вызывающая травматический ответ, не была устранена.
До сих пор неизвестно, действительно ли генерация и потеря синапсов влияют на формирование памяти. Технология, позволяющая быстро и точно удалять синапсы, не повреждая нейроны существует, хоть и далека от полноразмернго прототипа. Ее применение на рыбках, используемых для картографирования нейронных связей может позволить лучше понять воздействия такой процедуры.
С помощью этих методов возможно физически стереть ассоциативные воспоминания, лежащие в основе разрушительных состояний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость. Однако, прежде чем такое лечение может быть даже рассмотрено, необходимо более точно определить синаптические изменения, кодирующие ассоциативные воспоминания. И, очевидно, существуют серьезные этические и технические препятствия, которые необходимо устранить. Тем не менее, заманчиво представить далекое будущее, в котором синаптическая хирургия могла бы удалять плохие воспоминания.
