Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, схоже, все одно зберігають спогади.
Нашою провідною гіпотезою щодо зберігання спогадів є те, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між нейронами посилюються та фізично збільшуються, і це формує пам’ять. Проблема полягає в тому, що ці зв’язки з часом суттєво змінюються — вони пластичні.
«Якщо порівняти розташування цих зв’язків у 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 зрозуміти, як пам’ять, 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 спричинили у мишей стан, подібний до гібернації, що фактично стерло стан більш ніж половини їхніх синапсів. І все ж миші, схоже, зберегли свої спогади.
Гібернація на вимогу
Гібернація є специфічною для білок, хом’яків і ведмедів, але нейронний ланцюг, який її запускає, збережений у всіх 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 Такесі Сакурая, нейробіолога з Університету Цукуби та співавтора дослідження Танаки, розробила техніку для штучної активації цього ланцюга гібернації. Це можна зробити, активуючи популяцію, яка називається Q-нейронами, у ділянці гіпоталамуса.
Результатом є 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 їхній пульс та частота дихання також значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, який представник сплячих видів слугує еталоном. Ведмеді в стані гібернації знижують потребу в енергії, 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 опуститися майже до точки замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектра», — каже Танака.
Найважливіше в 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.
Чистка синапсів
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала тетроди — пучки тонких електродів — у гіпокамп мишей, що вільно рухалися. Це дозволило їм реєструвати активацію окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70%, коли розпочалася гібернація.
Мозок деяких тварин було візуалізовано за допомогою методу скануючої електронної мікроскопії послідовних блоків 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 приймаєте, що сліди пам’яті знаходяться в ефективності окремих синапсів, і якщо ви втрачаєте більше половини 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. Одне — це контекстне кондиціонування страху, де тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним ударом. Друге — це завдання з плюсовим лабіринтом, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Успішність в 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, які пройшли QIH, пробудили, вони виконували ці завдання так само добре, як і миші, які не впадали в сплячку. «Те, що ми виявили в цих двох різних поведінкових парадигмах, це те, що пам’ять була повністю цілісною», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів через чистку синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Клітинні локатори (place cells), нейрони гіпокампа, які активуються, коли тварина перебуває в певному місці, все ще активувалися в тих самих місцях і після пробудження. А декодер, який зчитував активність популяції, міг реконструювати місцезнаходження миші так само точно, як і раніше.
Повернення синапсів
Спостереження за одними й тими самими дендритами протягом восьми днів виявило, що синапси, які зникли під час гібернації, з’явилися знову після пробудження, і 82% з них повернулися на те саме місце на тому самому дендріті, яке вони займали раніше, що значно перевищує випадковість.
Синапси, що зникли, також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили метод під назвою eGRASP, який змушує зв’язок світитися зеленим тільки там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднується з іншим нейроном, позначеним під час того самого навчального події. Команда використала це для специфічного вивчення енаграмних синапсів, спеціалізованих синаптичних зв’язків між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що енаграмні синапси, розташовані поодинці на дендріті, були знищені гібернацією; енаграмні синапси, розташовані в щільних просторових кластерах, були збережені. Чому кластеризація захищає їх, поки що не зрозуміло. «Механізм, 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 вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих енаграмних синапсів була прикріплена до так званого мультисинаптичного бутона. «Зазвичай один пресинаптичний термінал утворює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипикою — один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних бутонах один пресинаптичний термінал утворює синаптичні зв’язки з кількома постсинаптичними шипиками. Це рідкісна структура. Її важко знайти в мозку».
У випадково вибраних синапсах мишей, що не впадали в сплячку, лише 3,3% знаходилися на мультисинаптичному бутоні. Кластеризовані енаграмні синапси, показані тут, були, якщо на те пішло, трохи меншими за сусідні — це не були збільшені, посилені зв’язки, які передбачала класична модель.
Щоб перевірити, чи цей патерн 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, 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 тих тварин кластеризовані енаграмні синапси були знищені без розбору — так само, як і будь-які інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при формулюванні висновків щодо того, що порівняння встановлює, а що ні. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «Наразі немає можливості маніпулювати кластеризацією енаграмних синаптичних зв’язків, не компрометуючи інші аспекти синапсів і мережі». Іншими словами, у нас немає способу вибірково вимкнути ці кластери, щоб побачити, чи вимикаються разом з ними і спогади.
«Це асоціативне дослідження, а не перевірка причинно-наслідкового зв’язку», — попереджає Танака. Але якщо результати підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’ять не потребує виживання певного синапса, якщо ширша нейронна архітектура навколо нього збережена.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніші та потенційно більш глибокі наслідки.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовує себе після гібернації, чи перебудовує він стан, у якому був раніше, чи якусь кращу конфігурацію?» — запитує Танака. Щоб це з’ясувати, команда індукувала коротку штучну гібернацію у мишей, розроблених як модель епілепсії, незадовго до розвитку у тварин нападів. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, навіть незважаючи на те, що жодних додаткових маніпуляцій не проводилося», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до якогось такого собі стандартного мережевого стану, подібного до його заводських налаштувань, а не просто повертається до того, з чого почав.
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 підтвердяться, мине багато часу, перш ніж результати Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Залишається багато викликів — більш ретельні заходи безпеки та етичні питання», — 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. Нам ще багато чого потрібно зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
За даними порталу: arstechnica.com