БиологияЗдоровье и медицина

Беспрецедентное изображение в реальном времени формирования памяти в мозгу

Мозг этой 7-дневной личинки Данио-рерио светится флуоресцентными маркерами, которые были генетически модифицированы для освещения ее нейронной активности.| Скотт Файзер, Университет Южной Калифорнии

Мозг всегда вызывал интерес у ученых, но современный мир значительно усилил этот интерес. Действительно, рост распространенности нейродегенеративных заболеваний, независимо от их причины, неизбежен в связи со старением населения и неблагоприятными экологическими факторами. Эти заболевания оказывают значительное влияние на качество жизни больных, а также членов их семей. Кроме того, увеличение числа травматических событий в последние годы (терроризм, COVID-19) может способствовать возникновению посттравматического стрессового синдрома, связанного с шокирующими воспоминаниями. Понимание нейронной основы памяти и причин ее дисфункции является сегодня одной из важнейших задач нейронауки. Исследования в этой области значительно расширились, но визуализация и картирование синапсов до недавнего времени были невозможны. Недавно ученым удалось в режиме реального времени визуализировать процесс формирования воспоминаний в мозгу живых рыб. И полученные результаты ставят под сомнение нашу концепцию памяти.

В настоящее время широко признано, что воспоминания формируются в результате изменений в связях, или синапсах, между нейронами. Именно Сантьяго Рамон-и-Кахал (1852-1934), испанский врач и невролог, впервые описал эту организацию мозга в 1888 году, известную как "теория нейронов". Последнее относится к фундаментальному представлению о том, что нейроны — это основные структурные и функциональные единицы нервной системы, состоящие из тела клетки, аксона и дендритов. С. Рамон-и-Кахаль, получивший за свое открытие Нобелевскую премию по медицине в 1906 году, считается одним из основателей современной нейронауки.

Тем не менее долгое время мы считали, что взрослый мозг не может создавать новые нейроны, как отметил С. Рамон-и-Кахаль в 1914 году: "Нервные пути — это нечто фиксированное, конечное и неизменное; все может умереть, ничто не может возродиться". Это казалось логичным, учитывая хорошо изученную организацию мозга взрослого человека. Именно Джозеф Альтман из Массачусетского технологического института (MIT) в 1960-х годах опубликовал первые исследования, показывающие создание новых нейронов в мозге взрослых морских свинок. Поначалу его игнорировали, и только в 1990-х годах к нему стали относиться серьезно, и начали поступать новые свидетельства. Родилась концепция нейронной пластичности.

С тех пор неврологи пытаются понять физические изменения, связанные с формированием памяти. Но они не могут получить изображение всего мозга с достаточно высоким разрешением, чтобы увидеть синапсы, диаметр которых составляет всего одну сотую часть человеческого волоса. МРТ, ЭЭГ и даже имплантированные электроды могут дать лишь необработанные данные о работе мозга.

Новая техника визуализации

Скотт Фрейзер, Дон Арнольд и Карл Кессельман, междисциплинарная группа выдающихся исследователей из Университета Южной Калифорнии, стремятся изменить эту ситуацию. В 2015 году они получили исследовательский грант в размере 9,7 млн долларов США от Национального института здоровья, чтобы провести первое прямое исследование живых синапсов в неповрежденном мозге. Для этой цели они выбрали Данио-рерио: поскольку ее мозг прозрачен, ее легче визуализировать. Это позволило им проанализировать синаптические изменения в процессе создания памяти. Этот вид также достаточно велик, чтобы показать те же сложности, механизмы и болезни, что и человеческий мозг, включая психические заболевания, что делает полученные результаты актуальными для неврологов и других исследователей в области здравоохранения.

В качестве первого шага Арнольд, нейробиолог из USC Dornsife и профессор биологических наук и биомедицинской инженерии, разработал новые методы модификации ДНК рыбы таким образом, чтобы сила и расположение синапса были отмечены флуоресцентным белком, который светится при сканировании лазером. Он говорит: "Наши зонды могут маркировать синапсы в живом мозге, не изменяя их структуру или функцию, что было невозможно при использовании предыдущих инструментов".

На втором этапе Фрейзер, старший профессор биологических наук и биомедицинской инженерии в USC Michelson, построил мощный микроскоп со световым листом, оптимизированный для изображения синапсов, которые маркировала команда Арнольда.

Микроскопия светового листа основана на простом принципе: свет, освещающий наблюдаемый биологический объект, больше не является цилиндрическим лазерным лучом, а имеет форму листа толщиной в несколько микрометров. Этот лист света располагается перпендикулярно объективу, который регистрирует флуоресценцию, испускаемую объектом. Таким образом, как и на виртуальном слайсере, движение объекта в этом световом полотне позволяет делать оптические срезы на любой глубине образца. При объединении изображений получается трехмерная визуализация, позволяющая увидеть объект во всей его полноте. Фрейзер говорит: "Мы используем множество различных лазеров. Мы можем использовать один цвет, чтобы увидеть форму нейрона, а другой — чтобы увидеть активность нейронов в клетках".

Микроскопическое изображение мозга Данио-рерио. Маленькие зеленые точки — это синапсы. Более крупные зеленые точки — это ядра нейронов. Дон Арнольд/Университет Южной Калифорнии.

На третьем этапе Кессельман, директор отдела компьютерных наук Института информационных наук Университета Южной Калифорнии, разработал алгоритмы, которые будут определять, сортировать и хранить полученные данные.

С помощью этого инновационного микроскопа они смогли наблюдать за изменениями в живых организмах животных и получать изображения изменений до и после в одном и том же образце. Ранее, поскольку эксперименты проводились на мертвых экземплярах, они могли сравнивать только два разных мозга, один из которых был условным, а другой нет.

Удивительные результаты

После шести лет работы исследователи наконец-то получили первые "снимки памяти" живого животного. Результаты были опубликованы в журнале PNAS.

Для измерения синаптических изменений, когда Данио-рерио запоминает, ученые использовали некоторые из классических инструментов, применяемых психологами для измерения обучения и памяти, известных как классическое обусловливание.

В частности, в течение 12 дней команда обучала рыб ассоциировать включенный свет с нагреванием головы инфракрасным лазером. Затем рыба попыталась уйти из этой неловкой ситуации. Рыбы, которые научились ассоциировать свет с приближающимся лазером, виляли хвостами, показывая, что они научились.

Визуализируя синапсы рыбы до, во время и после опыта обучения, команда смогла наблюдать и фиксировать значительные изменения в мозгу рыбы. Точно так же исследователи проследили синаптические изменения, вызванные потерей памяти — несколько раз мигая светом, но не сопровождая это ударом тока, — так что рыба больше не помнила о связи между светом и дискомфортом.

Главный вывод из анализа этих изображений заключается в том, что, вопреки устоявшейся догме, память не изменяет силу существующих синапсов. Кессельман объясняет: "В течение последних 40 лет общепринятым было то, что мы учимся, изменяя силу синапсов, но это не то, что мы обнаружили в данном случае".

Карта мозга Данио-рерио, показывающая изменения в синапсах после формирования памяти. Зеленый цвет обозначает утраченный синапс, а желтый — новый синапс. Красная линия разделяет области мозга, в которых преобладают приобретения или потери. Дон Арнольд, Университет Южной Калифорнии

Считается, что память работает по принципу "отталкивания". Другими словами, когда создается память, синапсы в одной части мозга разрушаются, а в другой части мозга создаются совершенно новые синапсы.

Данные доступны для всех

Важным моментом в этом исследовании является стремление исследователей сделать все данные эксперимента максимально прозрачными и воспроизводимыми. Каждая часть данных, связанных с этой статьей, доступна для поиска и любого ученого на сайте Mapping the Dynamic Synaptome. Это стало возможным благодаря Кессельману, который говорит: "Я создал комплексную систему, предназначенную для обмена и анализа данных. Это было полезно в наших экспериментах, так как команды могли получить доступ к данным в любое время, и это будет руководством для тех, кто захочет использовать нашу работу в будущем".

Многообещающие результаты для медицинских инноваций

Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что изменения в количестве синапсов кодируют воспоминания и могут помочь объяснить, почему негативные ассоциативные воспоминания, например, связанные с посттравматическим стрессом, настолько устойчивы. Арнольд говорит: "Мы видели лишь небольшие случайные изменения в синаптической силе существующих синапсов. Это может быть связано с тем, что данное исследование было сосредоточено на ассоциативных воспоминаниях". Действительно, этот тип памяти гораздо более надежен, чем другие виды памяти. Она формируется в миндалине, центре регуляции страха, в то время как другие воспоминания хранятся в гиппокампе. Однако этот тип ассоциативной памяти, хотя и распространен, не очень хорошо изучен, отчасти потому, что он происходит в относительно недоступной области мозга.

По этой причине авторы выдвинули гипотезу, что мозг может хранить определенные типы воспоминаний в неустойчивой и легко стираемой форме, в то время как воспоминания, связанные со страхом и эмоциями, хранятся более надежно. Это может помочь объяснить, почему спустя годы некоторые люди могут вспомнить что-то, как будто заново переживая это.

Следующими целями являются, с одной стороны, попытаться вызвать быстрое и точное удаление синапсов без повреждения нейронов у рыбок данио или мышей, чтобы увидеть, изменяет ли это ассоциативную память. С другой стороны, исследователи попытаются изучить, как у рыбок данио и других животных формируются менее эмоциональные или менее травмирующие воспоминания. Если результаты будут положительными, то они подтвердят возможность физического стирания ассоциативных воспоминаний, связанных с посттравматическим стрессом. Очевидно, что существуют серьезные этические и технические препятствия, которые необходимо решить задолго до того, как такой метод будет разработан для людей.

Однако Клифф Абрахам, профессор психологии Университета Отаго в Новой Зеландии, отмечает один небольшой нюанс. Как и у людей, мозг этих рыб деградирует с возрастом. Результаты, полученные на молодых рыбах, могут быть не идентичны результатам, полученным на взрослых рыбах с полностью развитым мозгом.

В любом случае, этот технологический подвиг открывает новые перспективы для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, и понимания воспоминаний, вызывающих посттравматические стрессовые расстройства.

Подписывайтесь на нас
Back to top button