Пионер памяти Ричард Семон предсказал такой «единый комплекс инграмм» более ста лет назад, но для того, чтобы новое исследование подтвердило его гипотезу, потребовалось применение нескольких технологий, разработанных лишь недавно. В ходе исследования команда определила и оценила десятки областей, которые ранее не были известны как участвующие в памяти, и показала, что отзыв памяти становится более поведенческим, когда реактивируется несколько областей хранения памяти, а не только одна.
«Когда мы говорим о хранении памяти, мы все обычно говорим о гиппокампе или коре головного мозга»,-сказал соавтор и соавтор Dheeraj Roy. Он начал исследование, будучи аспирантом в Лаборатории генетики нейронных цепей RIKEN-MIT в Институте Picower под руководством старшего автора и профессора Picower Сусуму Тонегавы. «Это исследование отражает наиболее полное описание кодирующих клеток памяти, или «инграмм памяти», распределенных по всему мозгу, а не только в хорошо известных областях памяти. Она в основном предоставляет список первого ранга для областей инграммы с высокой вероятностью. Этот список должен привести ко многим будущим исследованиям, которым мы очень рады, как в наших лабораториях, так и в других группах».
В дополнение к Рою, который в настоящее время является сотрудником Макговерна в Институте Брода Массачусетского технологического института и Гарварда и лаборатории профессора нейробиологии Массачусетского технологического института Гопина Фэна, другими ведущими авторами исследования являются парк Янг-Гюн, Минен Ким, Ин Чжан и Сачи Огава.
Отображение памяти
Команда смогла отобразить регионы, участвующие в комплексе инграмм, проведя беспристрастный анализ более 247 областей мозга у мышей, которые были взяты из своей домашней клетки в другую клетку, где они почувствовали небольшой, но запоминающийся электрический удар. В одной группе мышей их нейроны были сконструированы так, чтобы стать флуоресцентными, когда они экспрессировали ген, необходимый для кодирования памяти. В другой группе клетки, активированные естественным образом, вспоминая память zap (например, когда мыши вернулись к сцене zap), вместо этого были флуоресцентно помечены. Таким образом, клетки, активированные кодированием памяти или отзывом, можно было легко увидеть под микроскопом после того, как мозг был сохранен и оптически очищен с помощью технологии SHIELD, разработанной соавтором Кванхун Чангом, адъюнкт-профессором Института Пикауэра, Института медицинской инженерии и науки и химического факультета. Инженерия. Используя компьютер для подсчета флуоресцирующих клеток в каждом образце, команда создала общемозговые карты областей с явно значимым кодированием памяти или активностью вспоминания.
Карты выделили многие регионы, которые, как ожидается, будут участвовать в памяти, но также и многие из них не были. Чтобы помочь исключить области, которые могли быть активированы активностью, не связанной с памятью zap, команда сравнила то, что они видели у мышей, кодирующих zap или вспоминающих zap, с тем, что они видели в мозге контролей, которых просто оставили в их домашней клетке. Это позволило им вычислить «индекс инграммы» для ранжирования порядка 117 областей мозга со значительной вероятностью участия в комплексе инграмм памяти. Они углубили анализ, разработав новых мышей, у которых нейроны, участвующие как в кодировании памяти, так и в отзыве, могут быть дважды помечены, тем самым показывая, какие клетки демонстрируют перекрытие этих действий.
Авторы отметили, что для того, чтобы действительно быть клеткой инграммы, нейрон должен быть активирован как при кодировании, так и при воспоминании.
«Эти эксперименты не только выявили значительную реактивацию инграмм в известных областях гиппокампа и миндалины, но также показали реактивацию во многих структурах таламуса, коры головного мозга, среднего мозга и ствола мозга», — пишут авторы. «Важно отметить, что когда мы сравнили области мозга, идентифицированные с помощью анализа индекса инграммы, с этими реактивированными областями, мы заметили, что ~60 процентов областей были согласованы между анализами».
Манипуляции с памятью
Оценив регионы, которые могут быть вовлечены в комплекс инграмм, команда провела несколько манипуляций, чтобы непосредственно проверить свои предсказания и определить, как области комплекса инграмм могут работать вместе.
Например, они сконструировали мышей таким образом, чтобы клетки, активированные кодированием памяти, также становились управляемыми вспышками света (метод, называемый «оптогенетикой»). Затем исследователи применили световые вспышки для выбора областей мозга из списка индексов инграмм, чтобы посмотреть, будет ли их стимуляция искусственно воспроизводить поведение памяти страха при замерзании на месте, даже когда мышей помещали в «нейтральную» клетку, где зап не происходил.
«Поразительно, что все эти области мозга вызывали надежное воспоминание, когда их оптогенетически стимулировали», — наблюдали исследователи.
Более того, стимуляция областей, которые, как показал их анализ, были незначительны для памяти zap, действительно не приводила к замораживанию поведения.
Затем команда продемонстрировала, как соединяются различные области в комплексе инграмм. Они выбрали две хорошо известные области памяти, CA1 гиппокампа и базолатеральной миндалины (BLA), и оптогенетически активировали там клетки инграммы, чтобы вызвать поведение памяти в нейтральной клетке. Они обнаружили, что стимуляция этих областей вызывала активность памяти в определенных «нижестоящих» областях, идентифицированных как вероятные члены комплекса инграмм. Между тем, оптогенетически ингибируя естественный отзыв памяти zap в CA1 или BLA (т. Е. когда мышей помещали обратно в клетку, где они испытывали зап), это приводило к снижению активности в нижележащих областях комплекса инграмм по сравнению с тем, что они измеряли у мышей с беспрепятственным естественным отзывом.
Дальнейшие эксперименты показали, что оптогенетические реактивации нейронов комплекса инграмм следовали тем же закономерностям, что и при естественном воспоминании. Таким образом, установив, что естественное кодирование памяти и отзыв, по-видимому, происходят в широком комплексе инграмм, команда решила проверить, улучшит ли реактивация нескольких областей отзыв памяти по сравнению с реактивацией только одного. В конце концов, предыдущие эксперименты показали, что активация только одной области инграммы не вызывает такого яркого воспоминания, как естественное воспоминание. На этот раз команда использовала химические средства для стимуляции различных областей комплекса инграмм, и когда они это сделали, они обнаружили, что действительно стимулирование до трех вовлеченных областей одновременно вызывало более надежное поведение замораживания, чем стимулирование только одного или двух.
Значение распределенного хранилища
Рой сказал, что, сохраняя одну память в таком широко распространенном комплексе, мозг может сделать память более эффективной и устойчивой.
«Различные инграммы памяти могут позволить нам более эффективно воссоздавать воспоминания, когда мы пытаемся вспомнить предыдущее событие (и аналогично для первоначальной кодировки, где различные инграммы могут вносить различную информацию из исходного опыта)», — сказал он. -Во-вторых, в болезненных состояниях, если несколько регионов повреждены, распределенная память позволит нам помнить предыдущие события и в некотором смысле быть более устойчивыми к региональным повреждениям».
В долгосрочной перспективе эта вторая идея может предложить клиническую стратегию борьбы с нарушениями памяти: «Если некоторые нарушения памяти вызваны дисфункцией гиппокампа или коры головного мозга, можем ли мы нацелиться на недостаточно изученные клетки инграммы в других регионах и может ли такая манипуляция восстановить некоторые функции памяти?»
Это лишь один из многих новых вопросов, которые исследователи могут задать теперь, когда исследование показало список того, где искать хотя бы один вид памяти в мозге млекопитающих.
Читайте далее:COVID-19 привел к росту одиночества и депрессии у пожилых людей