Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, здається, все одно зберігають спогади.
Наша основна гіпотеза щодо того, як зберігаються наші спогади, полягає в тому, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між задіяними нейронами стають сильнішими та фізично більшими, і це формує пам’ять. Проблема в тому, що ці зв’язки значно змінюються з часом — вони пластичні.
«Якщо порівняти розташування цих зв’язків у перший день із тим самим у четвертий чи п’ятий день, воно дуже, дуже різне», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб зрозуміти, як спогад, що може тривати роками, може зберігатися на обладнанні, яке змінюється щодня, команда Танаки зробила цей зсув ще більш драматичним. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони викликали у мишей стан, подібний до гібернації, який фактично стер стан понад половини їхніх синапсів. І все ж миші, схоже, зберегли свої спогади.
Гібернація за вимогою
Гібернація — це спеціалізація білок, хом’яків та ведмедів, але нейронний ланцюг, який її викликає, збережений у ссавців і присутній у видів, які ніколи не впадають у гібернацію в дикій природі, як-от миші. У червні 2020 року команда дослідників під керівництвом Такеші Сакурая, нейробіолога з Університету Цукуби та співавтора дослідження Танаки, розробила техніку штучного активації цього ланцюга гібернації. Це можна зробити, активуючи групу Q-нейронів у певній ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, названий QIH (Q-neuron-induced hypothermia and hypometabolism — індукована Q-нейронами гіпотермія та гіпометаболізм).
«За допомогою нашого протоколу ми можемо знизити температуру тіла мишей приблизно до 20°C, а частота серцевих скорочень та дихання також значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, який екземпляр гібернації слугує еталоном. Ведмеді в стані гібернації знижують свою метаболічну потребу, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36-37°C. На іншому кінці спектру деякі види білок впадають у глибоку гібернацію, коли температура їхнього тіла може наблизитися до точки замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектру», — каже Танака.
Найважливіше про QIH, однак, те, що його можна вмикати та вимикати за бажанням. В експериментах Танаки миші проводили 48 годин у стані, подібному до гібернації, а потім прокидалися.
Для їхніх синапсів ці 48 годин спрацювали як клацання Таноса.
Синаптичне очищення
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала тетроди, пучки тонких електродів, у гіпокамп вільно рухомих мишей. Це дозволило їм записувати активність окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70 відсотків після настання гібернації.
Мозкову тканину деяких тварин знімали методом сканувальної електронної мікроскопії з послідовним розрізом блоку перед гібернацією, під час неї та через кілька днів після повернення до свідомості. Виявилося, що гібернація знищила понад половину синапсів — теоретично, це мало б стерти більшість спогадів. «Якщо ви вважаєте, що сліди пам’яті полягають в ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звичайно, ви очікуєте погіршення пам’яті», — каже Танака. Але команда не виявила такого погіршення.
До гібернації мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Першим було контекстуальне обумовлення страху, коли тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним шоком. Другим було завдання з хрестоподібним лабіринтом, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Ефективність у обох завданнях залежить від спогадів, що зберігаються в гіпокампі, що команда підтвердила, створивши ураження в цій ділянці після тренування, що призвело до зникнення спогадів.
Однак, коли інших мишей, яких помістили в QIH, виводили зі стану, вони виконували ці завдання так само добре, як і миші, які не впадали в гібернацію. «Те, що ми виявили в цих двох різних поведінкових парадигмах, це те, що пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів під час чистки синапсів також було підтверджено записами активності мозку. Клітинні рецептори місця, гіпокампальні нейрони, які спрацьовують, коли тварина займає певне місце, все ще спрацьовували в тих самих місцях після пробудження. А декодер, який зчитував популяційну активність, міг реконструювати, де знаходилася миша, так само точно, як і раніше.
Синапси, що повертаються
Спостереження за одними й тими ж дендритами протягом восьми днів показало, що синапси, які зникли під час гібернації, знову з’явилися після пробудження, і 82 відсотки з них повернулися на те саме місце на тому ж дендриті, яке вони займали раніше, що значно перевищує ймовірність випадковості.
Синапси, що зникли, також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили техніку під назвою eGRASP, яка змушує зв’язок світитися зеленим лише там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднаний з іншим нейроном, позначеним під час тієї ж події навчання. Команда використовувала це для вивчення саме синапсів енграми, спеціалізованих синаптичних зв’язків між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що синапси енграми, розташовані поодинці на дендриті, були усунені гібернацією; синапси енграми, організовані в щільні просторові скупчення, були збережені. Чому кластеризація захищає їх, ще не зрозуміло. «Механістично ми не знаємо», — каже Танака. «Це один із поточних проєктів у лабораторії».
Що команда змогла зробити, так це розглянути архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні boutons
Відстежуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих синапсів енграми були прикріплені до так званого мультисинаптичного бутона. «Зазвичай один пресинаптичний термінал утворює синаптичний зв’язок з одним постсинаптичним шипом — співвідношення один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних бутонах один пресинаптичний термінал утворює синаптичні зв’язки з кількома постсинаптичними шипами. Це рідкісна структура. Її важко знайти в мозку».
У випадково вибраних синапсах від мишей, що не впадали в гібернацію, лише 3,3 відсотка розташовувалися на мультисинаптичному бутоні. Кластеризовані синапси енграми тут були, якщо на те пішло, трохи меншими за своїх сусідів — це не були збільшені, зміцнені зв’язки, які передбачала класична модель.
Щоб перевірити, чи відповідає ця закономірність реальній пам’яті, а не загальній закономірності втрати синапсів, команда провела негативний контроль: вони піддали групу мишей тривалій анестезії в поєднанні з цитохалазином D, препаратом, що блокує збільшення та стабілізацію синаптичних зв’язків. Ця комбінація, як і QIH, пригнічувала нейронну активність і видаляла порівнянну частку синапсів, але миші після неї мали порушену пам’ять страху. У цих тварин кластеризовані синапси енграми були знищені без розбору — як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при висновках про те, що порівняння встановлює, а що ні. «Це є основним обмеженням цього дослідження», — каже він. «На даний момент немає способу маніпулювати кластеризацією синаптичних зв’язків енграми, не порушуючи інших аспектів синапсів та мережі». Іншими словами, ми не маємо можливості вибірково вимкнути ці кластери, щоб побачити, чи вимикаються разом з ними спогади.
«Це асоціативне дослідження, а не перевірка причинно-наслідкового зв’язку», — попереджає Танака. Але якщо висновки підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен певний синапс для виживання, якщо збережена ширша нейронна архітектура навколо неї.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніші та потенційно більш глибокі наслідки.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи перебудовується він до стану, в якому був раніше, чи до якоїсь бажаної конфігурації самого себе?» — запитує Танака. Щоб дізнатися це, команда викликала коротку штучну гібернацію у мишей, розроблених як модель епілепсії, незадовго до розвитку у тварин судом. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, незважаючи на те, що не було жодних додаткових маніпуляцій», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до певного стандартного мережевого стану, чогось на кшталт його заводських налаштувань, а не просто повертається до того, звідки він зупинився.
Оскільки висновки, пов’язані з епілепсією, ще не опубліковані, Танака сподівається, що його команда включить їх у подальшу статтю. Проте, навіть якщо ці ранні спостереження будуть підтверджені, мине ще багато часу, перш ніж висновки Танаки знайдуть клінічне застосування у людей. «Залишається ще так багато викликів — більш суворі заходи безпеки та етичні міркування», — каже Танака. «Усі дослідження досі проводилися на мишах. Нам потрібно перейти до щурів або мавп і подивитися, чи справді штучна гібернація впливає на функціонування мозку, чи ні. Нам ще так багато чого треба зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
За матеріалами: arstechnica.com