Нейрохирурги распутывают особую нервную систему человеческой памяти
Черный ящик человеческого мозга начинает открываться. Хотя модели животных играют важную роль в формировании нашего понимания мозга млекопитающих, скудные данные по человеку раскрывают важные особенности.
В статье , опубликованной в журнале Cell , группа под руководством группы Йонаса из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и нейрохирургов из Венского медицинского университета пролила свет на область гиппокампа CA3 человека, которая отвечает за хранение памяти.
Многие из нас с удовольствием проводили время с бабушкой или дедушкой у камина, когда наши сердца бились в такт интригующим историям из старых добрых времен, пересказанным с яркими образами и долей фантазии.
Наш человеческий мозг обладает замечательной способностью хранить и воспроизводить воспоминания на протяжении всей жизни. Физическое пространство, запах или знакомая ситуация могут сами по себе вызвать воспоминание, и наш мозг использует эти ассоциации, чтобы завершить шаблон.
Хотя человеческий мозг оптимизирован для этой цели, мы только начинаем понимать, как он интегрирует информацию о нашем окружении. Этот процесс завершения шаблона является замечательным вычислительным свойством нашего мозга, называемым ассоциативной памятью.
Основная часть наших знаний в области нейронауки о мозге исходит из хорошо изученных животных моделей, таких как грызуны, которые необходимы для науки. Но является ли человеческий мозг просто увеличенной версией мышиного мозга или у него есть отличительные черты, которые делают его человеческим?
Теперь исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и нейрохирурги из Венского медицинского университета проливают свет на то, как человеческий мозг формирует и извлекает ассоциативные воспоминания.
Магдалена Вальц, профессор естественных наук в ISTA Питер Йонас и постдок ISTA Джейк Уотсон, инициировавшие сотрудничество с профессором Карлом Рёсслером с кафедры нейрохирургии Венского медицинского университета, исследовали образцы пациентов с эпилепсией, перенесших нейрохирургическую операцию, чтобы получить информацию непосредственно из неповрежденной живой человеческой ткани.
Многоклеточные зарегистрированные нейроны CA3 (красные) в срезе ткани гиппокампа человека (зеленый/синий). Автор: Джейк Уотсон
У людей нет «большого мышиного мозга»
Центр мозга для обучения и ассоциативной памяти — гиппокамп. В нем область, называемая CA3, отвечает за хранение и обработку информации и завершение шаблонов. Поскольку здоровый человеческий материал скуден, большинство исследований до сих пор были сосредоточены на животных моделях. Джонас и Уотсон преодолели эту проблему, объединившись с Рёсслером, нейрохирургом, специализирующимся на резистентных к лечению формах эпилепсии.
«В то время как у пациентов, перенесших нейрохирургическое вмешательство, наблюдается широкий спектр клинических проявлений, профессор Рёсслер выделил субпопуляцию пациентов с эпилепсией, у которых гиппокамп был неповрежденным», — говорит Йонас. Ученые не могли упустить эту возможность.
«При этой форме эпилепсии необходима односторонняя резекция гиппокампа, чтобы обеспечить пациентам шанс на выздоровление и жизнь без эпилепсии», — объясняет Йонас. Таким образом, команда смогла получить неповрежденную ткань гиппокампа от 17 пациентов с эпилепсией , давших информированное согласие.
Исследователи объединили передовые экспериментальные методы — многоклеточную патч-кламп-регистрацию для измерения динамических функциональных свойств нейронов и микроскопию сверхвысокого разрешения — с моделированием и сделали сенсационные открытия.
Нейронные связи в области CA3 человека, которая не является увеличенной версией хорошо изученного мышиного гиппокампа, были более редкими, а ее синапсы — связи, которые позволяют передавать сигналы между нейронами — казались более надежными и точными. Таким образом, команда обнаружила отличительные свойства связей человеческого мозга.
Постсинаптические структуры на нейроне гиппокампа человека из ткани пациента. Автор: Джейк Уотсон
«Казалось, мы ничего не знаем»
Несмотря на важные различия в клеточной структуре и синаптических связях человеческого гиппокампа по сравнению с мышами и крысами, данные, полученные на животных моделях, остаются очень важными. Они служат справочным материалом и помогают ученым разрабатывать технологию изучения тканей человека.
«После работы с грызунами может показаться, что о гиппокампе уже все известно», — говорит Уотсон.
«Как только я начал изучать первые образцы пациентов, я понял, как много мы не знаем о человеческом гиппокампе. Хотя это наиболее изученная область мозга у грызунов, казалось, что мы ничего не знаем о физиологии человека, клеточной организации или связях».
Таким образом, основываясь на своем опыте работы с тканями гиппокампа грызунов, Уотсону и Джонасу необходимо было найти новые способы переосмысления этой части мозга у людей.
Моделирование вычислительной мощности человеческого мозга
Используя свои экспериментальные данные, команда попыталась построить модель вычислительной мощности сети CA3 в человеческом гиппокампе. Они поняли, что специфичные для человека схемы и синаптические связи позволяют им измерить степень надежности хранения и извлечения воспоминаний.
«Мы смогли проверить, сколько шаблонов вписывается в эту модель. Это помогло нам продемонстрировать, что специфичные для человека разреженные синаптические связи и повышенная синаптическая надежность увеличивают емкость памяти», — говорит Джонас. Другими словами, они раскрыли, как человеческая сеть CA3 эффективно кодирует информацию, чтобы максимизировать ассоциации и хранение памяти.
Лучший день в карьере физиолога
Настоящее исследование помогает изменить то, как ученые и специалисты в области здравоохранения воспринимают человеческий мозг.
«Наша работа подчеркивает необходимость переосмысления нашего понимания мозга с человеческой точки зрения. Будущие исследования мозговых схем, даже если они будут использовать модельные организмы грызунов, должны проводиться с учетом человеческого мозга», — говорит Йонас. По словам ученых, эта работа является плодом синергии между правильным нейрохирургом и правильными физиологами.
«Профессор Рёсслер очень заинтересован в продвижении фундаментальных исследований и разработал сложные методы извлечения тканей пациентов в наилучшем состоянии для лабораторного исследования», — подчеркивает Уотсон.
Это сотрудничество дало исследователям ISTA доступ к дефицитному ресурсу в науке: неповрежденной, живой ткани человеческого мозга. Поскольку доступность ткани зависела от операций, ученые получали новый биологический материал лишь спорадически каждые несколько месяцев.
Это повлияло на логистику их лаборатории: им часто приходилось в короткие сроки прерывать все проекты с использованием нечеловеческого материала и освобождать пространство для получения и исследования свежих человеческих образцов.
«Было нереально думать, что пациент с эпилепсией, перенесший нейрохирургическую операцию тем же утром, выздоравливал в больнице, пока мы исследовали неповрежденный и живой кусочек ткани его мозга», — говорит Уотсон.