Когда мы навещаем друга или идем на пляж, наш мозг хранит кратковременную память об этом опыте в той части мозга, которая называется гиппокампом. Эти воспоминания позже "консолидированный"- то есть переносится в другую часть мозга для более длительного хранения.
Новое исследование MIT нейронных цепей, лежащих в основе этого процесса, впервые показывает, что воспоминания на самом деле формируются одновременно в гиппокампе и месте долговременного хранения в коре головного мозга. Однако долговременные воспоминания остаются "тихий" около двух недель до достижения зрелого состояния.
"Этот и другие результаты данной статьи обеспечивают комплексный схемный механизм для консолидации памяти," говорит Сусуму Тонегава, профессор биологии и нейробиологии Пикауэра, директор Центра генетики нейронных цепей RIKEN-MIT в Институте обучения и памяти Пикауэра и старший автор исследования.
По словам исследователей, результаты, опубликованные в журнале Science 6 апреля, могут потребовать некоторого пересмотра доминирующих моделей того, как происходит консолидация памяти.
Ведущими авторами статьи являются ученый-исследователь Такаши Китамура, постдок Сачи Огава и аспирант Дирадж Рой. Другие авторы – постдоки Терухиро Окуяма и Марк Моррисси, технический сотрудник Лиллиан Смит и бывший постдок Роджер Редондо.
Долгосрочное хранение
Начиная с 1950-х годов, исследования известного пациента с амнезией Генри Молисона, известного тогда только как Пациент Н.M., выяснили, что гиппокамп необходим для формирования новых долговременных воспоминаний. Молисон, чей гиппокамп был поврежден во время операции, призванной помочь контролировать его эпилептические припадки, больше не мог хранить новые воспоминания после операции. Тем не менее, он все еще мог получить доступ к некоторым воспоминаниям, которые были сформированы до операции.
Это предполагает, что долгосрочные эпизодические воспоминания (воспоминания о конкретных событиях) хранятся вне гиппокампа. Ученые считают, что эти воспоминания хранятся в неокортексе, части мозга, которая также отвечает за когнитивные функции, такие как внимание и планирование.
Нейробиологи разработали две основные модели, чтобы описать, как воспоминания передаются из кратковременной памяти в долговременную. Самая ранняя, известная как стандартная модель, предполагает, что кратковременные воспоминания изначально формируются и хранятся только в гиппокампе, а затем постепенно переносятся на долговременное хранение в неокортекс и исчезают из гиппокампа.
Более новая модель, модель множественных следов, предполагает, что следы эпизодических воспоминаний остаются в гиппокампе. Эти следы могут хранить детали памяти, в то время как более общие контуры хранятся в неокортексе.
До недавнего времени не существовало хорошего способа проверить эти теории. Большинство предыдущих исследований памяти были основаны на анализе того, как повреждение определенных областей мозга влияет на воспоминания. Однако в 2012 году лаборатория Тонегавы разработала способ маркировать клетки, называемые энграммы, которые содержат определенные воспоминания. Это позволяет исследователям отслеживать схемы, участвующие в хранении и извлечении памяти. Они также могут искусственно реактивировать воспоминания с помощью оптогенетики, техники, которая позволяет им включать и выключать клетки-мишени с помощью света.
В новом научном исследовании исследователи использовали этот подход для маркировки клеток памяти у мышей во время события, вызывающего страх, то есть легкого поражения электрическим током, когда мышь находится в определенной камере. Затем они могли бы использовать свет для искусственной реактивации этих ячеек памяти в разное время и посмотреть, спровоцировала ли эта реактивация поведенческий ответ у мышей (замораживание на месте). Исследователи также могли определить, какие клетки памяти были активны, когда мышей помещали в камеру, где возникло условное обозначение страха, побуждая их естественным образом вспоминать воспоминания.
Исследователи обозначили клетки памяти в трех частях мозга: гиппокампе, префронтальной коре и базолатеральной миндалине, в которой хранятся эмоциональные ассоциации воспоминаний.
Всего через день после события, вызывающего страх, исследователи обнаружили, что воспоминания об этом событии хранились в клетках инграммы как в гиппокампе, так и в префронтальной коре. Однако клетки энграммы в префронтальной коре были повреждены "тихий"- они могли стимулировать замораживание при искусственной активации светом, но не срабатывали при естественном воспроизведении памяти.
"Префронтальная кора уже содержала специфическую информацию о памяти," Китамура говорит. "Это противоречит стандартной теории консолидации памяти, которая гласит, что вы постепенно переносите воспоминания. Память уже есть."
В течение следующих двух недель молчаливые клетки памяти в префронтальной коре постепенно созревали, что отражалось в изменениях их анатомии и физиологической активности, пока клетки не стали необходимы животным, чтобы естественным образом вспомнить событие. К концу того же периода клетки инграммы гиппокампа замолчали и больше не требовались для естественного воспроизведения. Однако следы воспоминаний остались: реактивация этих клеток светом все еще заставляла животных замерзать.
В базолатеральной миндалине после формирования воспоминаний клетки инграммы оставались неизменными на протяжении всего эксперимента. Те клетки, которые необходимы для вызова эмоций, связанных с конкретными воспоминаниями, общаются с клетками инграммы как в гиппокампе, так и в префронтальной коре.
Пересмотр теории
Полученные данные свидетельствуют о том, что традиционные теории консолидации могут быть неточными, поскольку воспоминания формируются быстро и одновременно в префронтальной коре и гиппокампе в день тренировки.
"Они формируются параллельно, но потом идут разными путями. Префронтальная кора становится сильнее, а гиппокамп – слабее," Моррисси говорит.
Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, полностью ли исчезают воспоминания из клеток гиппокампа или остаются какие-то следы. Прямо сейчас исследователи могут контролировать клетки инграммы только около двух недель, но они работают над адаптацией своей технологии для работы в течение более длительного периода.
Китамура считает, что какой-то след воспоминаний может оставаться в гиппокампе на неопределенный срок, сохраняя детали, которые извлекаются лишь изредка. "Чтобы различить два похожих эпизода, эта безмолвная инграмма может реактивироваться, и люди могут извлекать подробные эпизодические воспоминания даже в очень отдаленные моменты времени," он говорит.
Исследователи также планируют продолжить изучение того, как происходит процесс созревания инграммы префронтальной коры. Это исследование уже показало, что связь между префронтальной корой и гиппокампом имеет решающее значение, потому что блокирование цепи, соединяющей эти две области, препятствует правильному созреванию кортикальных клеток памяти.