Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, схоже, все одно зберігають спогади.
Провідною гіпотезою зберігання спогадів є те, що при вивченні чогось зв’язки між нейронами стають міцнішими та фізично більшими, що й формує 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 із тим самим показником на четвертий чи п’ятий день, воно буде дуже, дуже відмінним», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки і технологій Окінави (Японія). Щоб зрозуміти, як пам’ять, що зберігається роками, може існувати на обладнанні, яке змінюється кожні кілька днів, команда Танаки зробила цей зсув ще більш драматичним. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони викликали у мишей стан, подібний до гібернації, що фактично стерло стан понад половини їхніх синапсів. І все ж миші, очевидно, зберегли свої спогади.
Гібернація на вимогу
Гібернація — це спеціалізація білок, хом’яків і ведмедів, але нейронна схема, що її викликає, збереглася у ссавців і присутня 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 Цукуба та співавтора дослідження Танаки, розробила техніку штучної активації цієї схеми гібернації. Це можна зробити шляхом активації групи нейронів, відомих як Q-нейрони, у ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, який отримав назву 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 їхня частота серцевих скорочень і дихання також значно сповільнюються», — пояснює Танака. Чи можна це вважати справжньою гібернацією, залежить від того, якого “сплячого” звіра брати за еталон. Ведмеді під час гібернації зменшують свою метаболічну потребу, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36-37°C. З іншого боку, деякі види білок впадають у глибоку сплячку, під час якої температура їхнього тіла може наближатися до точки замерзання. «Штучна гібернація знаходиться десь посередині цього спектру», — зазначає Танака.
Однак найважливіше в QIH — 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 діяли як клацання Таноса.
Синаптичний «очищення»
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала в гіпокамп мишей, що вільно рухалися, тетроди — пучки тонких електродів. Це дозволило їм записувати активацію окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70% після початку гібернації.
Мозкову тканину деяких тварин сканували за допомогою методу серійної сканувальної електронної мікроскопії перед гібернацією, під час неї та через кілька днів після пробудження. Виявилося, що гібернація знищила понад половину синапсів, що, в принципі, мало б стерти більшість спогадів. «Якщо ви вважаєте, що сліди пам’яті полягають у силі окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, звісно, ви очікуєте погіршення пам’яті», — каже Танака. Але команда не виявила такого погіршення.
Перед гібернацією мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Першим було контекстне залякування, де тварина вчиться асоціювати певну камеру з легким електричним ударом. Другим було завдання на хрестоподібному лабіринті, де миша вчиться знаходити шлях до нагороди. Продуктивність 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 іншим мишам, які пройшли QIH, дали ці завдання після пробудження, вони показали такі ж результати, як і миші, що не впадали в сплячку. «Те, що ми виявили в цих двох різних поведінкових парадигмах, — це те, що пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів після «чистки» синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Клітини місця — нейрони гіпокампа, які активуються, коли тварина перебуває в певному місці, — все ще активувалися в тих самих місцях після пробудження. І декодер, який зчитував активність популяції, міг реконструювати місцезнаходження миші з такою ж точністю, як і раніше.
Повернення синапсів
Спостереження за одними й тими самими дендритами протягом восьми днів показало, що синапси, які зникли під час гібернації, з’явилися знову після пробудження, причому 82% з них повернулися на те саме місце на тому самому дендриті, яке вони займали раніше, що значно перевищує ймовірність випадкового повернення.
Синапси, що зникли, 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 специфічно дослідити енаграмні синапси — спеціалізовані синаптичні зв’язки між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що енаграмні синапси, розташовані окремо на дендриті, були знищені гібернацією; енаграмні синапси, 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 з поточних проєктів у лабораторії».
Команді вдалося дослідити архітектуру цих кластерів.
Багатосинаптичні bouton
Досліджуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих енаграмних синапсів були прикріплені до того, що називається багатосинаптичним bouton. «Зазвичай один пресинаптичний термінал утворює синаптичний зв’язок з одним постсинаптичним шипом — один до одного», — пояснює Танака. «У багатосинаптичних bouton один пресинаптичний термінал утворює синаптичні зв’язки з кількома постсинаптичними шипами. Це рідкісна структура. Її важко знайти в мозку».
У випадково обраних синапсах мишей, які не впадали в сплячку, лише 3,3% знаходилися на багатосинаптичному bouton. Кластеризовані енаграмні синапси, показані тут, були, якщо на те пішло, трохи меншими за своїх сусідів — це не були збільшені, зміцнені зв’язки, як передбачало класична модель.
Щоб перевірити, чи справді 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, подібно до QIH, пригнічувала активацію нейронів і видаляла порівнянну частку синапсів, але миші вийшли з цього стану з порушеною пам’яттю страху. У цих тварин кластеризовані енаграмні синапси були знищені без розбору — як і будь-які інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при формулюванні висновків щодо того, що встановлює порівняння, а що ні. «Це є головним обмеженням цього дослідження», — каже він. «Наразі немає можливості маніпулювати кластеризацією енаграмних синаптичних зв’язків, не порушуючи інші аспекти синапсів та мережі». Іншими словами, у нас немає способу вибірково вимкнути ці кластери, щоб побачити, чи зникатимуть разом з ними спогади.
«Це асоціативне дослідження, а не тест на причинно-наслідковий зв’язок», — попереджає Танака. Але якщо висновки підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен конкретний синапс, щоб вижити, доки збережеться 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 повертається він до стану, в якому був раніше, чи до якоїсь власної, бажаної конфігурації?» — запитує Танака. Щоб це з’ясувати, команда викликала коротку штучну гібернацію у мишей, які були змодельовані як епілептичні, безпосередньо перед розвитком у тварин нападів. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, навіть без жодних додаткових маніпуляцій», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до свого роду стандартного мережевого стану, чогось подібного до його заводських налаштувань, а не просто повертається до того стану, з якого почав.
Оскільки висновки, пов’язані з епілепсією, ще не опубліковані, Танака сподівається, що його команда включить їх у подальшу статтю. Однак, навіть якщо ці ранні спостереження будуть підтверджені, мине ще багато часу, перш ніж результати Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Ще так багато проблем залишається — більш ретельні заходи безпеки та етика», — 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 так багато чого потрібно зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
Дізнатися більше на: arstechnica.com