Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, схоже, все одно зберігають спогади.
Наша головна гіпотеза щодо того, як зберігаються спогади, полягає в тому, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між нейронами стають сильнішими та фізично більшими, і це 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 із тим самим розташуванням на четвертий або п’ятий день, воно виявляється дуже, дуже відмінним», — каже Казумаса Танака, нейробіолог з Університету науки та технологій Окінави (Японія). Щоб дізнатися, як пам’ять, яка може тривати роками, може зберігатися на «апаратному забезпеченні», 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, схожий на гібернацію, що призвело до стирання більш ніж половини їхніх синапсів. І все ж миші, схоже, зберегли свої спогади.
Гібернація на вимогу
Гібернація — це особливість білок, хом’яків та ведмедів, але нейронний ланцюг, який її запускає, є спільним для 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 штучної активації цього ланцюга гібернації. Це можна зробити шляхом активації популяції 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 їхня частота серцевих скорочень і дихання також значно сповільнюються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, якого представника сплячих видів брати за орієнтир. Ведмеді в стані гібернації знижують потребу в енергії, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36–37°C. На іншому полюсі деякі види білок впадають у глибоку сплячку, коли температура їхнього тіла може опуститися майже до точки замерзання. «Штучна гібернація займає проміжне положення в цьому спектрі», — зазначає Танака.
Найважливіше в QIH те, що його можна вмикати та вимикати за бажанням. В експериментах Танаки миші перебували в стані, схожому на гібернацію, протягом 48 годин, а потім прокидалися.
Для їхніх синапсів ці 48 годин спрацювали як «клацання» Таноса.
Синаптична «чистка»
Щоб з’ясувати, скільки синапсів втрачається під час QIH, команда Танаки імплантувала тетроди — пучки тонких електродів — у гіпокамп вільно рухомих мишей. Це дозволило їм записувати активність окремих нейронів. Вони виявили, що активність знизилася приблизно на 70% після початку гібернації.
Мозкову тканину деяких тварин сканували за допомогою методу сканувальної електронної мікроскопії з послідовними зрізами 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 вважаєте, що сліди пам’яті полягають в ефективності окремих синапсів, і ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, то, звичайно, очікується порушення пам’яті», — каже Танака. Але команда не виявила жодних таких порушень.
Перед гібернацією мишей тренували на двох стандартних завданнях на пам’ять. Перше — контекстне обумовлення страху, коли тварина вчиться асоціювати певну коробку з легким електричним шоком. Друге — завдання на хрестоподібному лабіринті, де миша вчиться знаходити шлях до винагороди. Успішне виконання обох завдань залежить від спогадів, що зберігаються в гіпокампі, що команда підтвердила, створивши пошкодження в цій ділянці після тренування, що призвело до зникнення спогадів.
Коли ж мишей, які пройшли QIH, розбудили, вони виконували ці завдання так само добре, як і миші, які не впадали в сплячку. «Ми виявили, що в цих двох різних поведінкових парадигмах пам’ять була повністю збережена», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів під час «чистки» синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Клітинні карти (place cells), гіпокампальні нейрони, 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 місцезнаходження миші, як і раніше.
Повернення синапсів
Спостереження за 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 збігу.
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 того ж навчального події. Команда використала це для дослідження специфічних синапсів енаграм — спеціалізованих синаптичних зв’язків між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що синапси енаграм, розташовані поодиноко на дендриті, були знищені гібернацією; синапси енаграм, розташовані щільними просторовими кластерами, були збережені. Чому кластеризація їх захищає, поки що невідомо. «Механізм невідомий», — каже Танака. «Це один із поточних проєктів у лабораторії».
Команді вдалося дослідити архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні boutons
Досліджуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих синапсів енаграм були прикріплені до того, що називається мультисинаптичним bouton. «Зазвичай один пресинаптичний термінал встановлює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипиком — один до одного», — пояснює Танака. «У мультисинаптичних boutons 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 сплячку, лише 3,3% розташовувалися на мультисинаптичному bouton. Кластеризовані синапси енаграм тут були, якщо що, трохи меншими за сусідні — це не були збільшені, зміцнені зв’язки, які передбачає класична модель.
Щоб перевірити, чи дійсно 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, так само як і QIH, пригнічувала нейронну активність і видаляла порівнянну частку синапсів, але миші після неї мали порушену пам’ять про страх. У цих тварин кластеризовані синапси енаграм були зруйновані без розбору — як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними при формулюванні висновків щодо того, що встановлює це порівняння, а що ні. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «Наразі немає можливості маніпулювати кластеризацією синаптичних зв’язків енаграм, не компрометуючи інші аспекти синапсів та 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 тест на причинно-наслідковий зв’язок», — попереджає Танака. Але якщо результати підтвердяться, це може свідчити про те, що пам’яті не потрібен будь-який конкретний синапс для виживання, доки збережена ширша нейронна архітектура навколо нього.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніший і потенційно більш глибокий висновок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи перебудовується він до стану, який був раніше, чи до якоїсь бажаної конфігурації власної мережі?» — запитує Танака. Щоб з’ясувати це, команда викликала коротку штучну гібернацію у мишей, змодельованих як епілептичні, ще до розвитку нападів у тварин. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, навіть без додаткових маніпуляцій», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до свого роду стандартного мережевого стану, схожого на його заводські налаштування, а не просто повертається до попереднього стану.
Оскільки результати, пов’язані з епілепсією, ще не опубліковані, Танака сподівається, що його команда включить їх у подальшу статтю. Проте, навіть якщо ці ранні спостереження підтвердяться, мине ще багато часу, перш ніж висновки Танаки знайдуть будь-яке клінічне застосування у людей. «Залишається ще багато викликів — більш суворі заходи безпеки та етичні норми», — 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 дуже багато чого потрібно зробити».
Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aee7004
Джерело новини: arstechnica.com