Гібернація зменшує кількість синапсів, але миші, схоже, все одно зберігають спогади.
Основна гіпотеза зберігання спогадів полягає в тому, що під час навчання зв’язки між нейронами стають сильнішими та фізично більшими, що й формує пам’ять. Проблема в тому, що ці зв’язки з часом суттєво змінюються — вони пластичні.
«Якщо порівняти розташування цих зв’язків у перший день з тим самим на четвертий чи п’ятий день, то воно буде дуже, дуже відрізнятися», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб зрозуміти, як пам’ять, що зберігається роками, може існувати на основі, яка змінюється кожні кілька днів, команда Танаки зробила цей зсув трохи більш драматичним. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони індукували у мишей стан, подібний до гібернації, що призвело до стирання понад половини їхніх синапсів. І все ж миші, здавалося, зберегли свої спогади.
Гібернація за вимогою
Гібернація є особливістю білок, хом’яків і ведмедів, але нейронний контур, який її запускає, є спільним для 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 штучної активації цього контуру гібернації. Це можна зробити шляхом активації групи нейронів, що називаються Q-нейронами, у певній ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, який назвали 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 їхній пульс і частота дихання також значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, який вид, що впадає в гібернацію, слугує еталоном. Ведмеді в стані гібернації знижують свої метаболічні потреби, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36-37°C. З іншого боку, деякі види білок входять у глибоку гібернацію, де температура їхнього тіла може наблизитися до точки замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектра», — каже Танака.
Найважливіше в QIH, однак, це 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 «душ»
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала тетроди (пучки тонких електродів) у гіпокамп вільно рухомих мишей. Це дозволило їм реєструвати активність окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70%, як тільки настала гібернація.
Мозок деяких тварин був сфотографований за допомогою методу сканувальної електронної мікроскопії послідовних блоків до, під час і через кілька днів після повернення до свідомості. Виявилося, що гібернація знищила понад половину синапсів — за логікою, це повинно було стерти більшість спогадів. «Якщо прийняти, що сліди пам’яті зберігаються в ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звичайно, очікується порушення пам’яті», — говорить Танака. Але команда не виявила такого порушення.
Перед гібернацією мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Першим було контекстуальне обумовлення страху, де тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним ударом. Другим було завдання на плюсоподібному лабіринті, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Успішне виконання обох завдань залежить від спогадів, що зберігаються в гіпокампі, що команда підтвердила, створивши в цій ділянці пошкодження після тренування, яке призвело до зникнення спогадів.
Однак, коли інших мишей, яких помістили в стан QIH, розбудили, вони так само добре впоралися з цими завданнями, 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 крізь «синаптичну чистку» також було підтверджено за допомогою запису мозкової активності. Клітинні місця (place cells) — гіпокампальні нейрони, які активуються, коли тварина перебуває у певному місці — все ще активувалися в тих самих місцях після пробудження. І декодер, який зчитував групову активність, міг так само точно реконструювати місцезнаходження миші, як і до гібернації.
Повернення синапсів
Спостереження за одними й тими ж дендритами протягом восьми днів показало, що синапси, які зникли під час гібернації, з’явилися знову після пробудження, і 82% з них повернулися на те саме місце на тому самому дендриті, де вони були раніше, що значно перевищує ймовірність випадкового повернення.
Синапси, які зникли, також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили техніку під назвою eGRASP, яка робить зв’язок зеленим лише там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднується з іншим нейроном, позначеним під час того самого навчального події. Команда використала це, щоб зосередитися конкретно на синапсах енаграми — спеціалізованих синаптичних зв’язках між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що синапси енаграми, розташовані поодинці на дендриті, були еліміновані гібернацією; синапси енаграми, розташовані щільними просторовими кластерами, зберігалися. Чому кластеризація їх захищає, ще 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 bouton
Відстежуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих синапсів енаграми була прикріплена до чогось, що називається мультисинаптичним bouton. «Зазвичай один пресинаптичний термінал встановлює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипиком — один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних bouton один пресинаптичний термінал встановлює 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% знаходилися на мультисинаптичному bouton. Кластеризовані синапси енаграми тут були, якщо на те пішло, трохи меншими за своїх сусідів — це не були розширені, посилені зв’язки, як передбачала б класична модель.
Щоб перевірити, чи цей шаблон дійсно 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 розширення 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 цих тварин кластеризовані синапси енаграми були знищені без розбору — так само, як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при висновках про те, що саме встановлює це порівняння. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «На даний момент немає способу маніпулювати кластеризацією синаптичних зв’язків енаграми, не порушуючи інші аспекти синапсів та мережі». Іншими словами, у нас немає способу вибірково вимкнути ці кластери, щоб побачити, чи вимикаються з ними спогади.
«Це асоціативне дослідження, а не тест на причинно-наслідковий зв’язок», — попереджає Танака. Але якщо результати підтвердяться, це може вказувати на те, що пам’ять не потребує збереження будь-якого конкретного синапсу, доки ширша нейронна архітектура навколо нього зберігається.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніше і потенційно більш глибоке наслідок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок відновлює себе після гібернації, чи відновлює він стан, який був до цього, чи якусь власну переважну конфігурацію?» — запитує Танака. Щоб з’ясувати це, команда індукувала коротку штучну гібернацію у мишей, виведених як модель епілепсії, незадовго до того, як у тварин розвинулися напади. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, хоча жодних 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 заводські налаштування, а не просто повертається до того стану, з якого він почав.
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, мине ще 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 має штучна гібернація вплив на функціонування мозку, чи ні. У нас ще так багато роботи».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
Оригінал статті: arstechnica.com