Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, схоже, все одно зберігають спогади.
Нашою основною гіпотезою щодо зберігання спогадів є те, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між нейронами посилюються і фізично збільшуються, що й становить пам’ять. Проблема полягає в тому, що ці зв’язки значно змінюються з часом — вони пластичні.
«Якщо порівняти розташування цих зв’язків у перший день з тим самим розташуванням на четвертий чи п’ятий день, воно буде дуже, дуже відмінним», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб з’ясувати, як пам’ять, що може тривати роками, може зберігатися на «обладнанні», яке змінюється щодня, команда Танаки зробила цей зсув трохи 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 на вимогу
Гібернація — це особливість білок, хом’яків і ведмедів, але нейронний контур, що її викликає, збережений у всіх 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 методику штучної активації цього контуру гібернації. Це можна зробити, активуючи групу нейронів, відомих як Q-нейрони, у певній ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, який назвали QIH (Q-neuron-induced hypothermia and hypometabolism), тобто викликана Q-нейронами гіпотермія та гіпометаболізм.
«За допомогою нашого протоколу ми можемо знизити температуру тіла мишей приблизно до 20°C, а їхній пульс і частота дихання також значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, якого гібернуючого ссавця взяти за еталон. Ведмеді під час гібернації знижують потребу в метаболізмі, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36-37°C. З іншого боку, деякі види білок впадають у глибоку гібернацію, під час якої температура тіла може наблизитися до точки замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектра», — каже Танака.
Однак найважливішим аспектом QIH є 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 пальцями Таноса.
Синаптичний «сброс»
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала тетроди (пучки тонких електродів) у гіпокамп мишей, що вільно пересувалися. Це дозволило їм записувати активність окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70%, як тільки розпочалася гібернація.
Мозок деяких тварин сканували за допомогою методу послідовного сканування методом скануючої електронної мікроскопії (serial block-face scanning electron microscopy) до, під час 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 перебувають в ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звісно, ви очікували б погіршення пам’яті», — говорить Танака. Але команда не виявила жодного такого погіршення.
Перед гібернацією мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Перше — контекстне обумовлення страху, коли тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним шоком. Друге — завдання з плюсовою лабіринтом, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Продуктивність в обох завданнях залежить від спогадів, що зберігаються в гіпокампі. Команда підтвердила це, створивши пошкодження в цій ділянці після тренування, що призвело до зникнення спогадів.
Однак, коли іншим мишам, яких помістили в стан QIH, дали пробудитися, вони виконали ці завдання так само добре, як і миші, які не впадали в гібернацію. «Те, що ми виявили в цих двох різних поведінкових парадигмах, полягає в тому, що пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів під час «сбросу» синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Клітини місця (place cells), гіпокампальні нейрони, які активуються, коли тварина перебуває в певному місці, все ще активувалися в тих самих місцях і після пробудження. Декодер, який зчитував активність популяції, міг реконструювати місцезнаходження миші з тією ж точністю, що й 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% з них повернулися на те саме місце на тому самому дендриті, яке вони займали раніше, що значно вище, ніж можна було б очікувати випадково.
Зниклі синапси також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили методику eGRASP, яка змушує зв’язок світитися зеленим кольором лише там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднується з іншим нейроном, позначеним під час того ж події навчання. Команда використала це для конкретного вивчення 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, розташовані щільними просторовими кластерами, були збережені. Чому кластеризація їх захищає, поки що не зрозуміло. «З точки зору механізму, ми не знаємо», — каже Танака. «Це один із поточних проєктів у лабораторії».
Те, що команда змогла зробити, це подивитися на архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні boutons
Досліджуючи кластери, що вижили, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих синапсів енграми були прикріплені до того, що називається мультисинаптичним bouton (многосинаптичним терміналом). «Зазвичай один пресинаптичний термінал встановлює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипиком — один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних boutons один пресинаптичний термінал утворює синаптичні зв’язки з кількома постсинаптичними шипиками. Це рідкісна структура. Її важко знайти в мозку».
У випадково вибраних синапсах від мишей, які не впадали в гібернацію, лише 3,3% розташовувалися на мультисинаптичному bouton. Кластеризовані синапси енграми тут були, якщо на те пішло, трохи меншими за своїх сусідів — це не були збільшені, посилені зв’язки, які передбачала класична модель.
Щоб перевірити, чи дійсно ця закономірність відстежує пам’ять, а не загальну втрату синапсів, команда провела негативний контроль: вони піддали групу мишей тривалій анестезії в поєднанні з цитохалазином D — препаратом, який блокує збільшення та стабілізацію синаптичних зв’язків. Ця комбінація, так само як і QIH, пригнічувала нейронну активність і видаляла порівнянну частку синапсів, але миші після цього мали порушену пам’ять про страх. У тих тварин кластеризовані синапси енграми були знищені без розбору — так само, як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при висновках про те, що встановлює порівняння, а що ні. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «Наразі немає способу маніпулювати кластеризацією синаптичних зв’язків енграми, не порушуючи інших аспектів синапсів і мережі». Іншими словами, у нас немає способу 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 результати підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен жоден конкретний синапс для виживання, доки зберігається ширша нейронна архітектура навколо неї.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніший і потенційно більш глибокий висновок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи перебудовується він у стан, у якому був раніше, чи в якийсь бажаний для нього конфігурацію?» — запитує Танака. Щоб це з’ясувати, команда викликала коротку штучну гібернацію у мишей, виведених як модель епілепсії, ще до розвитку нападів у тварин. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, хоча додаткових маніпуляцій не проводилося», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до свого роду стандартного мережевого стану, схожого на його заводські налаштування, а не просто повертається туди, де він зупинився.
Оскільки висновки, пов’язані з епілепсією, ще не опубліковані, Танака сподівається, що його команда включить їх у наступну статтю. Тим не менш, навіть якщо ці ранні спостереження будуть підтверджені, знадобиться багато часу, перш ніж результати Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Залишається ще багато викликів — більш суворі заходи безпеки та етичні питання», — каже Танака. «Усі дослідження дотепер проводилися на мишах. Нам потрібно перейти до щурів або мавп і подивитися, чи справді штучна гібернація впливає на функціонування мозку. Нам ще так багато чого потрібно зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
Дізнатися більше на: arstechnica.com