Исследование показало, что наноскопические моторные белки в мозге формируют физические структуры памяти
Загадка памяти интриговала философов и интеллектуалов очень долгое время. Платон и Аристотель считали, что память находится только в сфере души и разума , но в ней не было ничего телесного или физического. Память тесно связана с нашим чувством себя и субъективным опытом, но есть физические процессы, которые связаны с запоминанием.
Современная аналогия любит сравнивать компьютерную память с мозгом, где активность мозговых клеток, называемых нейронами, сравнивается с двоичными кодами моделей магнитного поля, хранящихся на жестком диске. Однако компьютерные устройства не изменяются в результате выполнения своей работы, в отличие от нейронов .
Хранение и обработка воспоминаний использует наноскопические моторные белки, называемые кинезинами, которые перемещают материалы внутри нейронов для построения структурного кода памяти. Эти наноскопические рабочие «ходят», используя чередующиеся шаги по длинным молекулярным дорожкам для доставки материалов.
В течение 20 лет нейробиологи, включая меня, использовали передовые технологии микроскопии на живых животных, чтобы наблюдать за микроскопическими структурами , называемыми дендритными шипиками, которые постоянно отпочковываются, трансформируются и регрессируют на дендритах нейронов.
Дендритные шипики — это то место, где нейроны формируют контакты с другими нейронами и создают электрические цепи по всему мозгу. Пластичность дендритных шипиков , как называют это изменение формы дендрита, — это больше, чем случайное движение нейронных структур в мозге.
Кинезин «идёт» по молекулярной дорожке.
Разрастающиеся колючки для хранения новых воспоминаний
В нашем недавно опубликованном исследовании в Cell Reports было обнаружено, что степень пластичности дендритных шипиков сильно коррелирует с производительностью памяти животных в нашей лаборатории. Мы научили мышей бояться безобидного тона, подвергая их электрошоку каждый раз, когда этот тон воспроизводился; затем мы научили мышей преодолевать тот же страх, многократно предъявляя тот же тон в безобидной ситуации.
Через два дня степень страха, определяемая продолжительностью времени, в течение которого мыши были неподвижны, отражает производительность памяти. Чем больше дендритных шипиков отпочковалось на нейронах, тем короче было время, в течение которого они оставались замороженными.
Аналогичным образом ученые обнаружили, что двигательная память, которая определяется тем, как долго мыши могут бежать на вращающемся стержне после обучения, также коррелирует с количеством образующихся дендритных шипиков на нейронах .
Если поцарапать эти новообразованные дендритные шипики с помощью сложной технологии, называемой оптогенетикой, мыши теряют двигательную память и ведут себя так, как будто они вообще не тренировались.
Эти данные сильно влияют на то, как мы понимаем, как хранится память. Помимо активности всего нейрона по принципу «все или ничего», структурные следы памяти формируются узорами микроскопических структур, называемых дендритными шипиками на нейронах.
Доставка молекулярных грузов к шипам
Это открытие подняло еще одну проблему: как нейроны узнают, где именно на своих ветвях «строить» эти коды памяти? Эти места должны быть конкретными, поскольку они соответствуют точкам контакта с различными нейронами при формировании нейронных цепей, соответствующих разному опыту.
Поскольку большинство клеточных материалов синтезируется в теле клетки, для точного построения кодов памяти необходим транспортер, доставляющий материалы внутрь нейронов.
В нашем исследовании мы предположили, что кинезин использовался для доставки молекулярных материалов для «строительства» дендритных шипиков. Чтобы доказать это, мы пометили молекулярные грузы, которые, как известно, переносятся кинезином, флуоресцентными маркерами, чтобы мы могли следить за движением кинезина под микроскопом. Используя эту передовую технологию микроскопии, мы смогли отследить движение кинезина в мозге до и после создания и устранения страха у мышей.
Мы также генетически удалили кинезины из другой группы мышей, чтобы понять, действительно ли функция кинезина необходима для формирования кода памяти дендритных шипиков. Мы обнаружили, что у нормальных мышей с кинезином требовалось несколько часов, а не минут, чтобы кинезин переместился в определенное место на дендритах, где могут отпочковаться дендритные шипики. Если кинезин удалялся из мозга, помеченные молекулярные грузы демонстрировали сниженную подвижность, и в результате количество сформированных дендритных шипиков полностью изменялось, а стабильность сформированных была значительно затруднена.
В нашем исследовании мыши без кинезина не могли нормально учиться и формировать память.
Понимание памяти
Это первый раз, когда был визуализирован процесс формирования структурного кода памяти, идентифицирующий кинезин как транспорт для построения дендритных шипиков после опыта обучения для построения структурного кода памяти в живом мозге. Этот структурный код памяти может обеспечить даже более сложное измерение, чем двоичное кодирование информации.
Дальнейшее изучение и потенциальное картирование структурных кодов дендритных шипиков в больших масштабах в мозге может открыть новые способы манипулирования функциями памяти при медицинских состояниях.