Нове дослідження Чиказького університету кидає виклик давнім переконанням про те, як синаптична пластичність сприяє пам’яті та навчанню. Коли тварини стикаються з новим досвідом, зв’язки між їхніми нейронами, відомі як синапси, регулюються за силою залежно від активності мозку, яку викликають ці переживання. Цей процес, який називається синаптичною пластичністю, на думку нейробіологів, відіграє ключову роль у зберіганні спогадів.
Незважаючи на його важливість, точні механізми, які визначають, коли і скільки змінюються синапси, залишаються неясними. Традиційна точка зору стверджує, що коли два нейрони часто активуються разом, їхній зв’язок посилюється, тоді як активація окремо послаблює зв’язок.
Однак нове дослідження Чиказького університету ставить під сумнів цю просту модель. Зосереджуючись на гіпокампі, регіоні, критичному для пам’яті, дослідження виявило, що інші, менш зрозумілі правила синаптичної пластичності можуть мати більший вплив, пропонуючи більш точне пояснення того, як діяльність мозку формує пам’ять з часом.
Моделі активності та їх нейронні репрезентації сильно змінюються, коли тварина стає ближчим до нового середовища чи досвіду. Дивно, але ці моделі продовжують розвиватися навіть після того, як щось навчено, хоча й повільніше.
«Коли ви заходите в кімнату, вона спочатку нова, але швидко стає знайомою щоразу, коли ви повертаєтеся», — сказав Марк Шеффілд, доктор філософії, доцент кафедри нейробіології та Інституту нейронауки в Університеті Чикаго та старший автор нового дослідження, опублікованого в Nature Neuroscience . «Отже, ви можете очікувати, що нейрональна активність, яка представляє цю кімнату, встановиться і стане стабільною, але вона продовжує змінюватися.
«Ці зміни в репрезентації під час навчання та після нього повинні бути зумовлені синаптичною пластичністю, але якою саме пластичністю? Важко знати, тому що у нас немає технології, щоб вимірювати це безпосередньо у тварин», — сказав він.
Зміщення клітинок місцями
Нобелівська премія з медицини 2014 року була присуджена за відкриття «клітин-місць»: нейронів у гіпокампі, які активуються лише тоді, коли тварина знаходиться в певній точці кімнати, що називається «полем-місцем». Різні нейрони мають свої поля розміщення в різних місцях кімнати, охоплюючи все оточення та формуючи так звану когнітивну карту.
У новому дослідженні Антуан Мадар, доктор філософії, докторант у лабораторії Шеффілда, вивчав активність клітин, зафіксовану в мозку мишей, коли вони мандрували різними середовищами. Миші спочатку пробігли знайоме середовище, потім перемикнулися на незнайоме. Дослідники очікували побачити однакові моделі активності, коли миші перебували у відомому їм місці, і інші моделі, коли вони вивчали нове середовище. Натомість вони побачили, що активність щоразу дещо відрізнялася, і вважали, що ці зміни відображають синаптичну пластичність.
Щоб зрозуміти, що зумовлює ці постійні зміни в представленнях нейронів, Мадар побудував обчислювальну модель нейронів гіпокампу, а потім застосував різні правила пластичності, щоб побачити, чи змусять клітини місця поводитися за тими самими шаблонами, що спостерігаються в даних миші. Замість традиційного правила «нейрони, які спрацьовують разом, з’єднуються разом», відомого як пластичність, залежна від часу Хебба (STDP), інше, негеббістське правило під назвою «Поведінкова синаптична пластичність у часовому масштабі» (BTSP) найкраще пояснює динаміку поля змінного місця.
Деякі зміни в активності клітин були незначними; осередок стріляв у дещо іншому місці, ніж попереднього разу. Інші були більш різкими, стрибаючи в зовсім інше місце. За словами Мадара, STDP може пояснити лише невеликі поступові зсуви, але BTSP може пояснити весь діапазон траєкторій зрушень, включаючи великі нелінійні зсуви.
«Ми багато знаємо про фізіологію, яка підтримує синаптичну пластичність, але ми зазвичай не знаємо, наскільки ці речі важливі для навчання», — сказав Мадар. «Наше дослідження надає докази того, що BTSP є більш впливовим, ніж STDP, у формуванні активності гіпокампа під час ознайомлення».
BTSP є відносно недавнім відкриттям, тому Мадар сказав, що порівняння їхніх даних і моделей дозволило їм дізнатися багато нового про це нове правило пластичності. Наприклад, вони знали, що BSTP викликається великими стрибками в кількості кальцію в клітинах, але вони не знали, як часто ці стрибки відбуваються. Нове дослідження показує, що хоча ці стрибки рідкісні, вони відбуваються частіше, коли тварина навчається та формує нові спогади. Дослідники також виявили, що як тільки утворюється поле місця, ймовірність цих подій, що викликають BTSP, слідує простій моделі спаду, лише з незначними варіаціями в регіонах мозку або рівнях знайомства.
«Цього достатньо, щоб пояснити приголомшливе розмаїття динаміки полів окремих місць, яку ми спостерігали», — сказав Мадар.
Кодування всього досвіду
Незважаючи на те, що дослідження показує, що діяльність гіпокампа є набагато більш динамічною під час формування пам’яті, ніж вважалося раніше, досі не ясно, чому можуть служити ці змінні уявлення.
«Постійно розвиваються нейронні репрезентації можуть допомогти мозку розрізнити схожі спогади, які відбулися в тому самому місці, але в різний час, що є дуже важливим процесом, щоб уникнути патологічної плутанини в пам’яті, ознаки багатьох неврологічних і когнітивних розладів», — сказав Мадар.
Розглядаючи це питання, Шеффілд починає здаватися прустівським.
«Кожного разу, коли ви повертаєтеся в кімнату, в якій сидите, ви якимось чином можете відстежити, що ви в тій самій кімнаті. Але це інший день і інший час, чи не так? Ви ніколи не можете повністю відтворити досвід, і якимось чином мозок відстежує все це», — сказав він.
«Отож, одна з ідей полягає в тому, що ця динаміка в представленнях пам’яті кодує саме це. Вони кодують невеликі зміни в досвіді, наприклад, коли ви п’єте каву, а потім обідаєте в одній кімнаті. Ці тонкі відмінності в обстановці, запахах, часі — усі ці незначні зміни в досвіді можуть бути закодовані в пам’яті через зміни в цих полях місць. Вони кодують не просто середовище; вони кодують весь досвід, який відбувається там».
