Изображение гиппокампа трансгенной мыши. Изображение: Nikon Small World Gallery
Наши теплые или страшные воспоминания ?? этот первый поцелуй или шишка в ночи ?? оставлять в памяти следы, которые мы можем вызвать в воспоминаниях о прошлом, вместе со временем, местом и всеми ощущениями от опыта. Нейробиологи называют эти следы энграммами памяти.
Но являются ли инграммы концептуальными или они представляют собой физическую сеть нейронов в головном мозге? В новом исследовании Массачусетского технологического института исследователи использовали оптогенетику, чтобы показать, что воспоминания действительно находятся в очень специфических клетках мозга, и что простая активация крошечной части клеток мозга может вызвать целую память ?? объясняя, например, как Марсель Пруст мог вспомнить свое детство по аромату некогда любимого печенья мадлен.
«Мы демонстрируем, что поведение, основанное на высокоуровневом познании, таком как выражение определенной памяти, может быть вызвано у млекопитающего посредством высокоспецифической физической активации определенной небольшой субпопуляции клеток мозга, в данном случае светом,» говорит Сусуму Тонегава, профессор биологии и нейробиологии Пикауэра в Массачусетском технологическом институте и ведущий автор исследования, опубликованный сегодня в журнале Nature. Это тщательно разработанный тест 21-го века, сделанный канадским нейрохирургом Уайлдером Пенфилдом в начале 1900-х годов и предполагающий, что разум основан на материи.??
В этой знаменитой операции Пенфилд лечил пациентов с эпилепсией, вычерпывая участки мозга, в которых возникли припадки. Чтобы гарантировать, что он уничтожил только проблемные нейроны, Пенфилд стимулировал мозг крошечными разрядами электричества, в то время как пациенты, находившиеся под местной анестезией, рассказывали о том, что они испытывали. Примечательно, что некоторые живо вспомнили целые сложные события, когда Пенфилд стимулировал всего несколько нейронов в гиппокампе, области, которая теперь считается важной для формирования и воспроизведения эпизодических воспоминаний.
Ученые продолжали исследовать этот феномен, но до сих пор никогда не было доказано, что прямой реактивации гиппокампа было достаточно, чтобы вызвать воспоминание.
Пролить свет на этот вопрос
Быстро перейдем к введению семь лет назад оптогенетики, которая может стимулировать нейроны, которые генетически модифицированы для экспрессии активируемых светом белков. «Мы думали, что можем использовать эту новую технологию для непосредственной проверки гипотезы о кодировании и хранении в памяти в эксперименте с мимикрией», говорит соавтор Сюй Лю, постдок лаборатории Тонегавы.
«Мы хотели искусственно активировать память без обычного необходимого сенсорного опыта, который предоставляет экспериментальные доказательства того, что даже эфемерные явления, такие как личные воспоминания, находятся в физических механизмах мозга», добавляет соавтор Стив Рамирес, аспирант лаборатории Тонегавы.
Сначала исследователи определили определенный набор клеток мозга в гиппокампе, которые были активны только тогда, когда мышь узнавала о новой среде. Они определили, какие гены активированы в этих клетках, и соединили их с геном канала родопсина-2 (ChR2), активируемого светом белка, используемого в оптогенетике.
Затем они изучили мышей с этой генетической парой в клетках зубчатой извилины гиппокампа, используя крошечные оптические волокна для доставки импульсов света к нейронам. Белок, активируемый светом, будет экспрессироваться только в нейронах, участвующих в эмпирическом обучении ?? гениальный способ, позволяющий маркировать физическую сеть нейронов, связанную с конкретной инграммой памяти, для определенного опыта.
Наконец, мыши вошли в среду и после нескольких минут исследования получили легкий шок стопы, научившись бояться конкретной среды, в которой произошел шок. Клетки мозга, активированные во время этого кондиционирования страха, стали помечены ChR2. Позже, при воздействии запускающих импульсов света в совершенно другой среде, нейроны, участвующие в памяти страха, включались ?? и мыши быстро заняли оборонительную неподвижную позицию.
Ложное воспоминание
Это вызванное светом замораживание предполагало, что животные действительно вспоминали воспоминания о шоке. Мыши, по-видимому, восприняли этот повтор страшного воспоминания ?? но память была искусственно реактивирована. «Наши результаты показывают, что воспоминания действительно находятся в очень специфических клетках мозга», Лю говорит: «Просто реактивировав эти клетки физическими средствами, такими как свет, можно восстановить всю память.??
Ссылаясь на французского философа 17-го века, который писал: «Я думаю, следовательно, я», Тонегава говорит: «Рене Декарт не верил, что разум можно изучать как естественную науку». Он был не прав. Этот экспериментальный метод – лучший способ продемонстрировать, что разум, как и воспоминания, основан на изменениях в материи.??
«Эта замечательная работа демонстрирует силу объединения новейших технологий для решения одной из центральных проблем нейробиологии», говорит Чарльз Стивенс, профессор лаборатории молекулярной нейробиологии в Институте Солка, который не принимал участия в этом исследовании. ?? Демонстрация того, что реактивация тех нервных клеток, которые были активны во время обучения, могут воспроизводить усвоенное поведение, несомненно, является важной вехой.??
Метод также может найти применение при изучении нейродегенеративных и психоневрологических расстройств. ?? Чем больше мы знаем о движущихся частях, из которых состоит наш мозг, ?? Рамирес говорит: «Чем лучше мы оснащены, чтобы понять, что происходит, когда ломаются части мозга».??
Другими участниками этого исследования были Карл Дейссерот из Стэнфордского университета, чья лаборатория занималась оптогенетикой, и Петти Т. Панг, Кори Б. Пурье и Арвинд Говиндараджан из Центра генетики нейронных цепей RIKEN-MIT в Институте обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте. Работа поддержана Национальным институтом здравоохранения и Институтом исследований мозга RIKEN.