Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, здається, все одно зберігають спогади.
Нашою провідною гіпотезою щодо зберігання спогадів є те, що коли ви чогось навчаєтеся, 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 на перший день із тим самим на четвертий чи п’ятий день, воно дуже, дуже відрізняється», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб з’ясувати, як спогад, що може тривати роками, може зберігатися на «обладнанні», яке змінюється кожні кілька днів, команда Танаки зробила цей зсув трохи більш драматичним. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони викликали у мишей стан, схожий на гібернацію, який фактично стер стан понад половини їхніх синапсів. І все ж миші, здавалося, зберегли свої спогади.
Гібернація за вимогою
Гібернація — це особливість білок, хом’яків і ведмедів, але нейронний контур, що її запускає, збережений у ссавців і присутній у видів, які ніколи не впадають у сплячку 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 для штучної активації цього контуру гібернації. Це можна зробити, активуючи популяцію нейронів, відомих як Q-нейрони, у ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, названий QIH (Q-neuron-induced hypothermia and hypometabolism) — гіпотермія та гіпометаболізм, індуковані Q-нейронами.
«За допомогою нашого протоколу ми можемо знизити температуру тіла мишей приблизно до 20°C, а їхній пульс і частота дихання також значно знижуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, який звір 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 впадають у глибоку сплячку, коли температура їхнього тіла може наблизитися до замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектру», — каже Танака.
Однак найважливіше в QIH те, що його можна вмикати та вимикати за бажанням. В експериментах Танаки миші проводили 48 годин у стані, схожому на гібернацію, а потім прокидалися.
Для їхніх синапсів ці 48 годин спрацювали як клац клац Таноса.
Видалення синапсів
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% після настання гібернації.
Мозок деяких тварин було візуалізовано за допомогою техніки скануючої електронної мікроскопії послідовних зрізів блоків 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 у ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звичайно, ви очікуєте порушення пам’яті після цього», — каже Танака. Але команда не виявила такого порушення.
Перед гібернацією мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Перше — контекстне обумовлення страху, коли тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним розрядом. Друге — завдання з Т-подібним лабіринтом, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Результативність в обох завданнях 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 піддали QIH, вивели зі стану, вони виконали ці завдання так само добре, як і миші, які не впадали в сплячку. «Те, що ми виявили в цих двох різних поведінкових парадигмах, — це пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів після «чистки» синапсів також було підтверджено записами активності мозку. Клітинні карти (place cells), нейрони гіпокампа, які активуються, коли тварина перебуває в певному місці, все ще активувалися в тих самих місцях після пробудження. І декодер, який зчитував популяційну активність, міг так само точно реконструювати, де перебувала миша, як і раніше.
Відновлення синапсів
Спостереження за одними й тими ж дендритами протягом восьми днів виявило, 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 перевищує випадкове співпадіння.
Зниклі синапси також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили техніку під назвою eGRASP, яка змушує зв’язок світитися зеленим тільки там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднується з іншим нейроном, позначеним під час тієї ж події навчання. Команда використала це, щоб зосередитися на енаграмних синапсах — спеціалізованих синаптичних зв’язках між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що енаграмні синапси, розташовані поодинці на дендриті, були усунені гібернацією; енаграмні синапси, розташовані в щільних просторових кластерах, були збережені. Чому кластеризація їх захищає, ще не зрозуміло. «Механізм невідомий», — каже Танака. «Це один із поточних проєктів у лабораторії».
Те, що команда змогла зробити, — це розглянути архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні boutons
Відстежуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих енаграмних синапсів була прикріплена до так званого мультисинаптичного бутона. «Зазвичай один пресинаптичний термінал встановлює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипиком — це взаємозв’язок один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних бутонах один пресинаптичний термінал встановлює синаптичні зв’язки з кількома постсинаптичними шипиками. Це рідкісна структура. Її важко знайти в мозку».
У випадково обраних синапсах від мишей, які не впадали в сплячку, лише 3,3% сиділи на мультисинаптичному бутоні. Кластеризовані енаграмні синапси тут були, якщо на те пішло, трохи меншими за сусідні — це не були збільшені, посилені зв’язки, які прогнозувала класична модель.
Щоб перевірити, чи цей патерн справді відповідає пам’яті, а не загальній моделі 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 енаграмні синапси були знищені без розбору — як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при висновках щодо того, що встановлює порівняння, а що ні. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «На даний момент немає можливості маніпулювати кластеризацією енаграмних синаптичних зв’язків, не компрометуючи інші аспекти синапсів та 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 висновки підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен жоден конкретний синапс для виживання, доки збережена ширша нейронна архітектура навколо нього.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніший і потенційно глибший висновок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи перебудовується він у стан, який був раніше, чи в якийсь бажаний конфігурацію себе?» — запитує Танака. Щоб дізнатися це, команда викликала коротку штучну гібернацію у мишей, створених як модель епілепсії, незадовго до того, як у тварин розвинулися напади. «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 певного стандартного мережевого стану, чогось на кшталт заводських налаштувань, а не просто повертається до того, де він зупинився.
Оскільки висновки, пов’язані з епілепсією, ще не опубліковані, Танака сподівається, що його команда включить їх у подальшу статтю. Тим не менш, навіть якщо ці ранні спостереження будуть підтверджені, мине багато часу, перш ніж висновки Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Залишається ще багато викликів — більш суворі заходи безпеки та етики», — 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 багато чого треба зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
За даними порталу: arstechnica.com