Мозг этой 7-дневной личинки рыбки данио светится флуоресцентными маркерами, которые были генетически модифицированы, чтобы освещать ее нервную активность. Модифицированные таким образом рыбы недавно использовались в исследованиях формирования памяти.
Андрей Андреев, Тай Чыонг, Скотт Фрейзер; Центр трансляционной визуализации, USC
Представьте, что пока вы наслаждаетесь утренней тарелкой хлопьев Cheerios, с потолка падает паук и плюхается в молоко. Спустя годы вы все еще не можете приблизиться к миске с хлопьями, не испытывая при этом отвращения.
Теперь исследователи непосредственно наблюдали, что происходит внутри мозга, изучающего такую эмоционально заряженную реакцию. В новом исследовании, опубликованном в январе в Proceedings of the National Academy of Sciences , команда из Университета Южной Калифорнии смогла визуализировать воспоминания, формирующиеся в мозгу лабораторных рыб, визуализируя их под микроскопом, когда они расцветали красивой флуоресцентной зеленью. . Из более ранней работы они ожидали, что мозг будет кодировать память, слегка изменив свою нейронную архитектуру. Вместо этого исследователи были удивлены, обнаружив серьезные изменения в соединениях.
То, что они увидели, подтверждает точку зрения о том, что память — это сложное явление, включающее мешанину кодирующих путей. Но это также предполагает, что тип памяти может иметь решающее значение для того, как мозг выбирает ее для кодирования — вывод, который может намекнуть на то, почему некоторые виды глубоко обусловленных травматических реакций так настойчивы и их так трудно разучить.
«Возможно, то, на что мы смотрим, является эквивалентом твердотельного накопителя» в мозгу, — сказал соавтор Скотт Фрейзер , количественный биолог из Университета Южной Калифорнии. В то время как мозг записывает некоторые типы воспоминаний в изменчивой, легко стираемой форме, воспоминания, связанные со страхом, могут храниться более надежно, что может помочь объяснить, почему годы спустя некоторые люди могут вспомнить воспоминание, как если бы переживали его заново, сказал он.
Память часто изучалась в коре, которая покрывает верхнюю часть мозга млекопитающих, и в гиппокампе в основании. Но его реже исследовали в более глубоких структурах, таких как миндалевидное тело, мозговой центр регуляции страха. Миндалевидное тело особенно ответственно за ассоциативные воспоминания, важный класс эмоционально заряженных воспоминаний, которые связывают разрозненные вещи — как тот паук в вашей каше. Хотя этот тип памяти очень распространен, не совсем понятно, как он формируется, отчасти потому, что он возникает в относительно недоступной области мозга.
Фрейзер и его коллеги увидели возможность обойти это анатомическое ограничение и узнать больше о формировании ассоциативной памяти с помощью рыбок данио. У рыб нет миндалевидного тела, как у млекопитающих, но у них есть аналогичная область, называемая паллиумом, где формируются ассоциативные воспоминания. Фрейзер объяснил, что паллий гораздо более доступен для изучения: в то время как мозг развивающегося млекопитающего растет, просто становясь больше — «надуваясь, как воздушный шар», — мозг рыбки данио почти выворачивается наизнанку, «как зернышко попкорна, поэтому эти глубокие центры находятся недалеко от поверхности, где мы можем их запечатлеть». Более того, личинки рыбок данио прозрачны, поэтому исследователи могли заглянуть прямо в их мозг.
Нейробиологи в целом согласны с тем, что мозг формирует воспоминания, модифицируя свои синапсы — крошечные соединения, где встречаются нейроны. Но большинство считает, что в основном это происходит за счет настройки силы соединений или того, насколько сильно один нейрон стимулирует другой, сказал Фрейзер.
Поэтому, чтобы сделать этот процесс видимым, Фрейзер и его команда генетически сконструировали рыбок данио, чтобы они производили нейроны с флуоресцентным белковым маркером, связанным с их синапсами. Белок-маркер, созданный в лаборатории Дона Арнольда , профессора биологических наук и биологической инженерии Университета Южной Калифорнии, флуоресцировал под тусклым лазерным светом нестандартного микроскопа. «Но используйте как можно меньше света, чтобы не обжечь существ», — сказал Фрейзер. Затем исследователи смогли увидеть не только расположение отдельных синапсов, но и их силу — чем ярче свет, тем сильнее связь.
Количественный биолог Скотт Фрейзер и его коллеги из Университета Южной Калифорнии изучали формирование неприятной ассоциативной памяти в мозгу рыбок данио.
Предоставлено Скоттом Фрейзером
Чтобы вызвать память, Фрейзер и его команда приучили личинок данио-рерио ассоциировать свет с неприятным нагревом, подобно тому, как русский физиолог XIX века Иван Павлов приучал своих собак к выделению слюны в ожидании угощения, когда они слышали звук угощения. колокол. Личинки рыбы-зебры научились пытаться уплыть всякий раз, когда видят свет. (В ходе эксперимента головы личинок были обездвижены, но их хвосты могли свободно вращаться, что свидетельствует об изученном поведении.) Исследователи визуализировали мантию до и после того, как рыба научилась, и проанализировали изменения в силе и местоположении синапсов.
Вопреки ожиданиям, сила синапсов в паллиуме оставалась примерно одинаковой независимо от того, чему научилась рыба. Вместо этого у рыб, которые научились, синапсы были вырезаны из некоторых областей мантии — производя эффект, «подобный обрезке дерева бонсай», — сказал Фрейзер, — и пересажены в другие.
Предыдущие исследования иногда предполагали, что воспоминания могут формироваться за счет добавления и удаления синапсов, но эта крупномасштабная визуализация мозга в реальном времени предполагает, что этот метод формирования памяти может быть гораздо более важным, чем предполагали исследователи. Хотя это не является окончательным доказательством, «я думаю, что оно предоставляет убедительные доказательства» того, что это может быть основным способом, которым мозг формирует воспоминания, сказал Томас Райан , нейробиолог из Тринити-колледжа в Дублине, который не участвовал в исследовании.
Чтобы согласовать результаты своего нового исследования с их первоначальными ожиданиями в отношении формирования памяти, Фрейзер, Арнольд и их команда выдвинули гипотезу о том, что тип памяти может определять то, как мозг выбирает ее для кодирования. Эти «ассоциативные события, которые мы рассмотрели, могут быть самыми сильными воспоминаниями», — сказал Фрейзер. Для рыбы это «сделай или умри», поэтому «неудивительно, что вы можете закодировать эти сильные воспоминания очень сильным способом».
Но то, что подходит для запирания полных страха воспоминаний, может оказаться не лучшим для более приземленных типов воспоминаний. Когда вы учитесь произносить чье-то имя, вы, вероятно, «не захотите выдергивать синапсы из своего мозга и добавлять новые», — сказал Фрейзер.
Фрейзер и его команда надеются, что эта модель может в конечном итоге помочь им изучить механизмы, связанные с воспоминаниями, которые вызывают посттравматическое стрессовое расстройство, и что она может даже привести к потенциальным стратегиям смягчения этого состояния.
Но возможно, что результаты больше связаны с возрастом данио-рерио, чем с типом сформированной памяти, сказал Клифф Абрахам , профессор психологии в Университете Отаго в Новой Зеландии, который также не участвовал в исследовании. «Мы знаем, что во время развития в разных частях мозга происходит много сокращений и синаптической реорганизации в результате опыта», — сказал Абрахам. Если исследователи взглянут на взрослых рыбок данио — что сделать сложнее, потому что они менее прозрачны и имеют больший мозг — они могут получить другие результаты.
Статья представляет собой «техническое проявление силы», добавил он, но это всего лишь часть головоломки о том, как формируются воспоминания, и до сих пор остается много вопросов без ответа, например, как долго эти воспоминания и синаптические изменения сохраняются у рыбок данио. .
Исследователи надеются увидеть, применимы ли полученные данные к животным с более крупным мозгом и даже к млекопитающим, а также выяснить, как у этих данио-рерио и других животных формируются менее эмоционально нагруженные или травмирующие воспоминания.
«Я думаю, все думали, что существует целый ряд способов, которыми мозг может хранить воспоминания», — сказал Фрейзер. «Прелесть в том, что, держу пари, все они правы. И вопрос будет заключаться в следующем: как все это работает вместе?»