Как наши воспоминания сохраняются в мозгу: исследование

Результаты показывают, что изменения в количестве синапсов кодируют воспоминания в эксперименте и могут помочь объяснить, почему негативные ассоциативные воспоминания, такие как те, которые связаны с посттравматическим стрессовым расстройством, настолько сильны.

Какие физические изменения происходят в мозгу при воспоминании?

Группа исследователей из Университета Южной Калифорнии впервые ответила на этот вопрос, вызвав память у личинок данио, а затем отобразив изменения в их прозрачных головах с клетками мозга, освещенными, как Таймс-сквер в канун Нового года, пишет medicalxpress.com.

После шести лет исследований они сделали новаторское открытие, что обучение заставляет синапсы, связи между нейронами, увеличиваться в одних областях и исчезать в других, а не просто изменять их силу, как принято думать. Эти изменения в синапсах могут помочь объяснить, как формируются воспоминания и почему одни виды воспоминаний сильнее других.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences и проводилось под руководством Дона Арнольда из USC, Скотта Э. Фрейзера и Карла Кессельмана.

Новый метод и инструменты

Исследование стало возможным благодаря новому типу маркировки клеток и изготовленному на заказ микроскопу, изобретенному в Университете Южной Калифорнии. Исследователи также разработали передовой способ отслеживания и архивирования собранных данных, чтобы сделать свои выводы максимально доступными и воспроизводимыми.

До их работы было невозможно определить местоположение синапса в живом мозге без изменения его структуры и функции, что делало невозможным сравнение до и после формирования памяти.

Благодаря междисциплинарному сотрудничеству между Инженерной школой Университета Южной Калифорнии в Витерби и Колледжем литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии в Дорнсайфе команды впервые смогли определить силу и расположение синапсов до и после обучения в мозгу живой рыбки данио. , животное, обычно используемое для изучения работы мозга. Рыбки данио достаточно велики, чтобы иметь мозг, который функционирует так же, как наш собственный, но достаточно малы и прозрачны, чтобы открывать окно в живой мозг. Поддерживая неповрежденную рыбу в живых, они смогли сравнить синапсы в одном и том же мозге с течением времени, что стало прорывом в области нейробиологии.

Чтобы создать воспоминания для измерения, исследовательской группе пришлось придумать новые методы, чтобы побудить личинок данио к обучению. Они сделали это, обучив 12-дневную рыбу ассоциировать включение света с нагревом головы инфракрасным лазером, чего они стремились избежать, пытаясь уплыть. Рыбы, которые научились ассоциировать свет с приближающимся лазером, махали хвостом, показывая, что они научились. Через пять часов обучения команда смогла наблюдать и фиксировать значительные изменения в мозге этих рыбок данио.

В дополнение к созданию этого нового подхода, Арнольд, нейробиолог USC Dornsife и профессор биологических наук и биомедицинской инженерии , возглавил группу, которая создала новые методы изменения ДНК рыбы, чтобы сила и местоположение синапса были отмечены знаком. флуоресцентный белок, который светится при сканировании лазером.

«Наши зонды могут маркировать синапсы в живом мозгу, не изменяя их структуру или функцию, что было невозможно с помощью предыдущих инструментов», — сказал Арнольд.

Это позволило специализированному микроскопу, разработанному командой Фрейзера, сканировать мозг и отображать расположение синапсов.

«Микроскоп, который мы построили, был специально разработан для решения этой задачи визуализации и извлечения необходимых нам знаний», — сказал Фрейзер, проректор биологических наук и биомедицинской инженерии в Центре конвергентных биологических наук им. и Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии. «Иногда вы пытаетесь получить такое эффектное изображение, что вы убиваете то, на что смотрите. Для этого эксперимента нам нужно было найти правильный баланс между получением изображения, которое было бы достаточно хорошим, чтобы получить ответы, но не настолько впечатляющим, чтобы мы убить рыбу фотонами». С помощью этого инновационного микроскопа они смогли наблюдать изменения у живых животных и получать изображения изменений до и после на одном и том же образце. Раньше, поскольку эксперименты проводились на умерших образцах, они могли сравнивать только два разных мозга, один в обусловленном состоянии, а другой нет.

«Это визуализация ниндзя, мы пробираемся незамеченными», — сказал Фрейзер.

Результатом стали сотни изображений и экспериментов, которые нужно было обработать и проанализировать. Третья группа под руководством Кессельмана — ученого-компьютерщика из Центра конвергентных биологических наук Университета Южной Калифорнии им. Майкельсона и профессора технических наук Университета Южной Калифорнии Уильяма Х. Кека — разработала инновационные новые алгоритмы, которые сделали это возможным, в то же время отслеживая большие и сложные эксперименты, которые проводились. осуществляется в течение всего времени расследования.

Удивительные результаты

Главный вывод при анализе этих изображений: вместо памяти, вызывающей изменение силы существующих синапсов, синапсы в одной части мозга были разрушены, а совершенно новые синапсы были созданы в другой области мозга.

«Последние 40 лет общепринятым мнением было то, что вы учитесь, изменяя силу синапсов», — сказал Кессельман, который также является директором отдела информатики в Институте информационных наук Университета Южной Калифорнии и профессором Дэниела Дж. Эпштейна. Департамент промышленной и системной инженерии, «но это не то, что мы обнаружили в данном случае».

«Это был наилучший возможный исход, — сказал Арнольд, — потому что мы наблюдали это резкое изменение количества синапсов — одни исчезали, другие формировались, и мы видели это в совершенно другой части мозга. Догма. заключалась в том, что синапсы меняют свою силу. Но я был удивлен, увидев двухтактный феномен, и что мы не увидели изменения силы синапсов».

Результаты показывают, что изменения в количестве синапсов кодируют воспоминания в эксперименте и могут помочь объяснить, почему негативные ассоциативные воспоминания, такие как те, которые связаны с посттравматическим стрессовым расстройством, настолько сильны.

«Считалось, что формирование памяти в основном связано с ремоделированием существующих синаптических связей, — сказал Арнольд, — тогда как в этом исследовании мы обнаружили образование и устранение синапсов, но мы увидели лишь небольшие случайные изменения синаптической силы существующих синапсов. Это может быть связано с тем, что это исследование было сосредоточено на ассоциативных воспоминаниях, которые гораздо более устойчивы, чем другие воспоминания, и формируются в другом месте мозга , миндалине, а не в гиппокампе для большинства других воспоминаний.Это может когда-нибудь иметь отношение к посттравматическому стрессу, который считается опосредованным формированием ассоциативных воспоминаний».

Необычным аспектом статьи и связанного с ней исследования было сосредоточение внимания на том, как сделать результаты исследования максимально прозрачными и воспроизводимыми, сделав каждую часть данных, связанных с статьей, доступной для поиска и доступной для любого ученого на общедоступном веб-сайте. Картирование динамического синаптома. Доступ ко всем данным и коду необходим для воспроизведения научных результатов, однако доступ ко всем данным, использованным при написании статьи, предоставляется редко. Например, недавние исследования показали, что только 20% исследований рака воспроизводимы, потому что данные недоступны.

«Команда Университета Южной Калифорнии установила новую планку для доступа к данным, поскольку каждая часть данных, сгенерированных в течение шестилетнего расследования, была собрана и организована для этого исследования», — сказал Кессельман, который разработал эту новую парадигму. «Мы решили эту проблему с самого начала, создав комплексную систему, предназначенную для обмена и анализа данных. Это было полезно при проведении наших экспериментов, потому что команды могли получить доступ к данным в любое время, и это поможет тем, кто хочет использовать нашу работать в будущем».

«Я искренне верю, что это будущее прозрачности в исследованиях, новая эра, и USC опережает кривую», — сказал Фрейзер.

Текущее исследование представляет собой последнее междисциплинарное сотрудничество в USC с исследователями из Центра конвергентных биологических наук Майкельсона USC, Дорнсифе, Витерби и Медицинской школы Кека в USC.