Здається, що гібернація скорочує кількість синапсів, але миші все одно зберігають спогади.
Нашою провідною гіпотезою щодо зберігання спогадів є те, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між нейронами стають сильнішими та фізично більшими, 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 з тим самим розташуванням на четвертий або п’ятий день, воно буде дуже, дуже відрізнятися», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб зрозуміти, як спогади, що можуть тривати роками, зберігаються на «обладнанні», яке змінюється кожні кілька днів, команда Танаки зробила цей зсув дещо більш драматичним. У недавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони індукували у мишей стан, подібний до гібернації, який фактично стер стан більш ніж половини їхніх синапсів. І все ж, здається, миші зберегли свої спогади.
Гібернація на вимогу
Гібернація є особливістю білок, хом’яків і ведмедів, але нейронний ланцюг, що 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 Такесі Сакурая, нейробіолога з Університету Цукуби та співавтора дослідження Танаки, розробила метод штучної активації цього ланцюга гібернації. Це можна зробити шляхом активації групи нейронів, відомих як Q-нейрони, у певній ділянці гіпоталамуса.
Результатом є стан, який називається QIH (Q-neuron-induced hypothermia and hypometabolism), або викликана Q-нейронами гіпотермія та гіпометаболізм.
«За допомогою нашого протоколу ми можемо знизити температуру тіла мишей приблизно до 20 градусів Цельсія, а їхній пульс і частота дихання значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, з яким “гібернатором” порівнювати. Ведмеді під час гібернації зменшують свою метаболічну потребу, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36-37 градусів Цельсія. З іншого боку, деякі види білок впадають у глибоку гібернацію, коли їхня температура тіла може наблизитися до нуля. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектру», — каже Танака.
Однак найважливіше в QIH — це 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 працювали як клацання Таноса.
Синаптичний «злив»
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 активність окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70 відсотків після настання гібернації.
Мозок деяких тварин був знятий методом сканувальної електронної мікроскопії з послідовним розтином блоку до, під час і через кілька днів після повернення до свідомості. Виявилося, що гібернація знищила понад половину синапсів — теоретично, це повинно було стерти більшість спогадів. «Якщо ви вважаєте, що сліди пам’яті знаходяться в ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звісно, ви очікуєте подальшого 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 кондиціонування страху, де тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним ударом. Другим було завдання з плюсоподібним лабіринтом, де миша вчиться орієнтуватися, щоб дістатися до винагороди. Успішність в обох завданнях залежить від спогадів, збережених у гіпокампі, що команда підтвердила, створивши ураження в цій ділянці після тренування, що призвело до зникнення спогадів.
Однак, коли інших мишей, поміщених у QIH, розбудили, 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, полягає в тому, що пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів через «злив» синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Клітинні рецептори місця (place cells), гіпокампальні нейрони, які активуються, коли тварина займає певне місце, все ще спрацьовували у тих самих місцях і після пробудження. Декодер, який зчитував популяційну активність, міг відновити положення миші з такою ж точністю, як і раніше.
Відновлення синапсів
Спостереження за одними й тими ж 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 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 кольором тільки там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднаний з іншим нейроном, позначеним під час тієї ж події навчання. Команда використала це для специфічного дослідження енграмних синапсів — спеціалізованих синаптичних зв’язків між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що енграмні синапси, розташовані поодинці на дендриті, були еліміновані гібернацією; енграмні синапси, розташовані щільними просторовими кластерами, були збережені. Чому кластеризація їх захищає, ще не зрозуміло. «Механістично ми не знаємо», — каже Танака. «Це один із поточних проєктів у лабораторії».
Команді вдалося вивчити архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні bouton (бутони)
Досліджуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих енграмних синапсів була прикріплена до так званого мультисинаптичного bouton. «Зазвичай один пресинаптичний термінал встановлює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипиком — взаємодія 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% розташовувалися на мультисинаптичному bouton. Кластеризовані енграмні синапси, що спостерігалися тут, були, в будь-якому випадку, дещо меншими за сусідні — вони не були розширеними, посиленими зв’язками, як передбачала класична модель.
Щоб перевірити, чи справді ця закономірність відповідає пам’яті, а не загальній втраті 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, як і QIH, пригнічувала нейронну активність і видаляла порівнянну частку синапсів, але миші після цього мали порушену пам’ять страху. У тих тварин кластеризовані енграмні синапси були знищені без розбору — так само, 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 не існує способу маніпулювати кластеризацією енграмних синаптичних зв’язків, не компрометуючи 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 перевірка причинно-наслідкового зв’язку», — попереджає Танака. Але якщо результати підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен конкретний синапс для виживання, якщо збережена ширша нейронна архітектура навколо нього.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніше та потенційно глибше наслідок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи перебудовується він до стану, який був до цього, чи до якоїсь власної бажаної конфігурації?» — запитує Танака. Щоб з’ясувати це, команда індукувала коротку штучну гібернацію у мишей, виведених як модель епілепсії, незадовго до розвитку у тварин судом. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, навіть незважаючи на те, що не було проведено жодних додаткових маніпуляцій», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до певного стандартного мережевого стану, подібно до його заводських налаштувань, а не просто повертається до того, де 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 висновки Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Залишається так багато проблем — більш суворі заходи безпеки та етичні питання», — каже Танака. «Усі дослідження досі проводилися на мишах. Нам потрібно перейти до щурів або мавп і побачити, чи справді штучна гібернація впливає на функціонування мозку. Нам ще так багато потрібно зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
За даними порталу: arstechnica.com