Памятью можно манипулировать, причём, делать это во сне. С помощью оптогенетики корейские учёные из Института фундаментальных наук управляли нейронной активностью таламуса во время медленного сна, что заставляло мышей вспоминать или забывать то, что они выучивали до этого.
Это инновационное исследование показало, что изменение спайковой активности нейронов во сне оказывает непосредственное влияние на формирование и хранение памяти.
Учёные из центра изучения когнитивных и социальных процессов в Институте фундаментальной науки (IBS) усиливали или ослабляли навыки запоминания мышей через управление синхронизацией мозговых волн во время глубокого сна. Исследовательская группа сосредоточилась именно на медленноволновой фазе сна, так как именно в это время происходит формирование памяти.
Во время глубокого сна группы нейронов генерируют мозговые волны в тройном ритме: медленные осцилляции, сонные веретёна и «рябь» (ripples). Медленные колебания исходят от нейронов коры головного мозга. Веретёна генерируются из структуры мозга, называемой ретикулярным ядром таламуса, а частота спайков (потенциалов действия) здесь составляет 7-15 в секунду. Наконец, рябь (острые и быстрые всплески электрической активности) исходит из гиппокампа – части мозга, играющей одну из главных ролей в пространственной памяти.
«Часто в течение ночи закономерность проявляется таким образом, что за медленными колебаниями коры сразу следуют таламические веретёна, и пока это происходит, параллельно проявляется импульсация гиппокампа. Мы считаем, что разные сочетания этих трёх ритмов действуют как каналы связи между различными частями мозга, что способствует консолидации памяти», — объясняет Шарль-Франсуа Латшумань (Charles-Francois V. Latchoumane), первый соавтор исследования.
Исследователи сосредоточились на веретёнах, потому что в более ранних работах уже выяснили, что их число связано с запоминанием: их становится больше, если день насыщен обучением чему-либо, и меньше у пожилых людей и у больных шизофренией.
В ходе эксперимента генномодицицированных мышей, чьи рецепторы клеток таламуса приобретали чувствительность к свету, помещали в специальную клетку и давали слабый электрический шок после проигрывания тонального шума. На следующий их память проверяли, оценивая реакцию страха в ответ на тот же звук или ту же клетку. Ночью между вторым и третьим днями учёные с помощью световых вспышек заставляли таламус воспроизводить искусственные веретёна.
Здесь животных делили на три группы. Первая группа получила освещение сразу после медленных колебаний, поэтому у них формировался нормальный тройной ритм (по фазам): медленные осцилляции, веретёна, рябь. Во второй группе легких стимуляцию проводили позже, чтобы добиться рассинхронизации. И третья группа использовалась в качестве контроля, не получая никакого светового сигнала.
На следующий день после этого мышей снова помещали в место «пытки» и фиксировали их движения. Животные первой группы замирали в страхе 40 процентов времени даже в отсутствие шума. Мыши второй и третьей групп, напротив, оставались бездвижными только 20 процентов всего времени. Но вот когда они слышали тот самый шум в разных местах, вели себя одинаково и замирали все, независимо от группы. То есть гиппокамп участвует в пространственных воспоминания, которые могли бы объяснить разницу.
Верно также и обратное: можно было сделать так, чтобы мыши забывали. То есть если исследователи сокращали количество одновременно генерируемых веретён, то память сильно ухудшалась.
Исследовательская группа считает, что таламус – координатор долгосрочной консолидации памяти, то есть процесса, при котором приобретённая за день информация переносится из гиппокампа в кору головного мозга, чтобы закрепиться в долговременной памяти. А гиппокамп – такой концентратор, где содержится много информации, предназначенной для перенаправления на правильные «места» в головном мозге, особенно в его коре.
«Эта работа показала, что таламус, кажется, опосредует обмен информацией между гиппокампом и корой. Мы считаем, что запоминание во время глубокого сна имеет отношение как раз к координации. Если гиппокамп пытается обмениваться информацией, когда нейроны коры «не готовы» его «выслушать», данные теряются. Медленные колебания могут быть сигналами, используемыми корой, чтобы обозначить её готовность принять информацию. Затем таламус «предупреждает» гиппокамп с помощью веретён», — описывает процесс Латшумань.
Можно представить, какую пользу пациенты с дефицитом памяти могут получить от трансляции этих исследований на человека. Однако, сначала нужно разъяснить несколько тезисов: можем ли мы управлять самостоятельно одним воспоминанием? Влияет ли на исход БДГ-фаза (быстрый сон)? Как хранится память? Пока нужно ждать новые исследования, которые смогут дать на эти вопросы вразумительные ответы.
Полное описание эксперимента и его результаты доступны в журнале Neuron.
Текст: Анна Хоружая