Гібернація скорочує кількість синапсів, але миші, здається, все одно зберігають спогади.
Наша провідна гіпотеза щодо того, як зберігаються наші спогади, полягає в тому, що коли ви щось вивчаєте, зв’язки між залученими нейронами стають сильнішими та фізично більшими, і це становить пам’ять. Проблема в тому, що ці зв’язки значно змінюються з часом — вони пластичні.
«Якщо порівняти розташування цих зв’язків у перший день із тим самим розташуванням 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 апаратному забезпеченні, яке змінюється кожні кілька днів, команда Танаки зробила цей зсув дещо драматичнішим. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science, вони індукували стан, схожий на гібернацію, у мишей, що призвело до стирання стану більш ніж половини їхніх синапсів. І все ж миші, очевидно, зберегли свої спогади.
Гібернація за викликом
Гібернація є спеціалізацією білок, хом’яків та ведмедів, але нейронна схема, яка її запускає, 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 Цукуби та співавтора дослідження Танаки, розробила техніку штучної активації цієї схеми гібернації. Це можна зробити, активуючи групу нейронів, що називаються Q-нейронами, у ділянці гіпоталамуса.
Результатом став стан, що 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 значно зменшуються», — пояснює Танака. Чи вважається це справжньою гібернацією, залежить від того, який вид гібернуючих тварин слугує референсом. Ведмеді в стані гібернації знижують свою метаболічну потребу, але не змінюють температуру тіла, яка залишається близько 36° або 37°C. З іншого боку, деякі види білок входять у глибоку сплячку, коли їхня температура 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 клацання пальцями Таноса.
Синаптичний «вихлоп»
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.
Мозкову тканину деяких тварин візуалізували за допомогою техніки сканувальної електронної мікроскопії з послідовним блоковим скануванням до, під час і 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 у ефективності окремих синапсів, а ви втрачаєте понад половину синаптичних зв’язків, 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 запам’ятовування. Перше — це контекстне формування страху, коли тварина вчиться асоціювати певну камеру з легким електричним шоком. Друге — це завдання з плюсовим 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 іншим мишам, яких помістили в QIH, дали вийти зі стану, вони виконали ці завдання так само добре, як і миші, які не гібернували. «У цих двох різних поведінкових парадигмах ми виявили, що пам’ять була повністю неушкодженою», — стверджує Танака.
Виживання цих спогадів через «вихлоп» синапсів також було підтверджено записами мозкової активності. Комірки місця (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 реконструювати місцезнаходження миші так само точно, як і раніше.
Відновлені синапси
Спостерігаючи за одними й тими самими дендритами протягом восьми днів, дослідники виявили, що синапси, які зникли під час гібернації, знову з’явилися після пробудження, причому 82 відсотки з них повернулися на те саме місце на тому самому дендриті, яке вони займали раніше, — це значно вище, ніж можна було б очікувати випадково.
Синапси, що зникли, також не були випадковою вибіркою. Вчені розробили техніку під назвою eGRASP, яка змушує зв’язок світитися зеленим кольором лише там, де нейрон, позначений під час навчання, з’єднується з іншим нейроном, позначеним під час того ж навчального події. Команда використала це, щоб спеціально дослідити еграмні синапси — спеціалізовані синаптичні зв’язки між нейронами, що зберігають пам’ять. Виявилося, що еграмні синапси, розташовані ізольовано на дендриті, були усунені гібернацією; еграмні синапси, розташовані в щільних просторових кластерах, були збережені. Чому кластеризація їх захищає, ще не зрозуміло. «Механізм невідомий», — каже Танака. «Це один з поточних проєктів у лабораторії».
Команда змогла дослідити архітектуру цих кластерів.
Мультисинаптичні boutons
Відстежуючи вцілілі кластери, команда Танаки виявила, що третина кластеризованих еграмних синапсів була прикріплена до чогось, що називається мультисинаптичним бутоном. «Зазвичай один пресинаптичний термінал утворює синаптичний зв’язок з однією постсинаптичною шипикою — взаємозв’язок 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 обраних синапсах від мишей, що не гібернували, лише 3,3 відсотка знаходилися на мультисинаптичному бутоні. Кластеризовані еграмні синапси, які спостерігалися тут, були, якщо на те пішло, трохи меншими за сусідні — це не були збільшені, посилені зв’язки, які передбачала класична модель.
Щоб перевірити, чи справді ця закономірність пов’язана з пам’яттю, а не із загальною закономірністю втрати 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 нейронну активність і вилучала порівнянну частку синапсів, але миші вийшли з неї з порушенням пам’яті страху. У цих тварин кластеризовані еграмні синапси були знищені без розбору — так само, як і всі інші синапси.
Танака вважає, що слід бути обережними, роблячи висновки про те, що саме встановлює порівняння, а що ні. «Це головне обмеження цього дослідження», — каже він. «Наразі немає можливості маніпулювати кластеризацією еграмних синаптичних зв’язків без шкоди для інших аспектів синапсів і мережі». Іншими словами, у нас немає способу вибірково вимкнути ці кластери, щоб побачити, чи вимикаються 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 будь-який конкретний синапс для виживання, доки зберігається ширша нейронна архітектура навколо неї.
Але лабораторія Танаки вже розглядає набагато дивніше і потенційно глибше наслідок.
Заводські налаштування
«Якщо мозок перебудовується після гібернації, чи він перебудовується до стану, який був до цього, чи до якоїсь бажаної конфігурації самого себе?» — запитує Танака. Щоб це з’ясувати, команда індукувала коротку штучну гібернацію у мишей, інженерно створених як модель епілепсії, безпосередньо перед розвитком у тварин нападів. «Ми виявили, що розвиток епілепсії був повністю пригнічений після гібернації, хоча жодних додаткових маніпуляцій не проводилося», — стверджує Танака. Це, на його думку, свідчить про те, що мозок після гібернації повертається до певного роду стандартного мережевого стану, подібно до його заводських налаштувань, а не просто повертається до того стану, з якого він 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 будуть підтверджені, мине багато часу, перш ніж висновки Танаки знайдуть клінічне застосування у людей. «Залишається так багато викликів — більш суворі заходи безпеки, а також етика», — каже Танака. «Усі дослідження досі проводилися на мишах. Нам потрібно перейти до щурів чи 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