Источник: Tanaka et al., «Репрезентации коры воспроизводятся в гиппокампе при извлечении памяти», Neuron

140-4414453

«Извилина памяти» в последние годы стала настолько важным объектом изучения, что соответствующий термин пора вводить в народное сознание наряду с другими популярными нейробиологическими словечками, такими как «кора», «серое вещество» или «мозжечок».

В прошлом номере главного специализированного нейробиологического журнала Neuron был открыт механизм любопытства — с гиппокампом в главной роли. Меньше чем через неделю Нобелевский комитет отметил высшей научной наградой первооткрывателя клеток места, которые расположены опять-таки в гиппокампе. На этот раз ученым впервые удалось «напрямую» доказать, что гиппокамп играет важную роль в извлечении из памяти событий прошлого. Соответствующая работа группы Брайана Уилтгена из Университета Калифорнии в Дэвисе опубликована все в том же Neuron.

224-6609139

История изучения гиппокампа как главной станции записи информации в человеческом мозгу началась с Генри Молейсона, более известного как «пациент H. M.». Тот страдал тяжелейшей эпилепсией, и в 1950-х ему удалили внушительную часть мозга, включая две трети гиппокампа в обоих полушариях.

Эпилепсию действительно удалось вылечить. Но жизнь H. M. от этого не сильно улучшилась, потому что на смену припадкам пришла амнезия.

У Молейсона была нормальная рабочая память: он легко решал задачи, требующие запоминания информации на несколько секунд или минут. Еще он помнил события десятилетней давности и даже мог решать кроссворды на основании усвоенных в детстве знаний. У него работала моторная память — он мог осваивать новые навыки. Его IQ оставался неизменным на протяжении всей жизни.

324-3152107

  1. M. не помнил лиц и имен новых знакомых. В течение многих лет он здоровался со своим лечащим врачом, как будто встречал его впервые.

В последующие десятилетия эксперименты на животных подтвердили, что гиппокамп и соседствующая с ним энторинальная кора играют главную роль в эпизодической памяти — то есть запоминании ситуаций, событий, впечатлений и людей. Эпизодическую память еще называют «автобиографической». Если нейробиологи «памятью» называют вообще любое сохранение информации в мозгу — будь то моторная привычка или детское воспоминание — то «эпизодическая память» ближе к «памяти» в обывательском понимании этого слова.

424-8047072

Модель работы эпизодической памяти примерно следующая. В гиппокамп сверху, из коры, стекаются разнообразные сигналы о текущем моменте. Стекаются импульсами нервных клеток, которые подключаются в разных сочетаниях к клеткам гиппокампа. Если на одной клетке собралось несколько разных сигналов — они эту клетку активируют. Такое произойдет с определенным набором гиппокампальных клеток, уникальным для каждой ситуации. Этот набор и становится, грубо говоря, памятью. При воспоминании активируются те же самые клетки гиппокампа — то есть память как бы проигрывается по схеме из сохраненных сочленений нейронов.

524-5611678

Из высших отделов мозга — коры то есть — в гиппокамп поступают сигналы от группы нейронов, кодирующих строчку из песни Максима Леонидова («И по-моему, зовут ее Даша, То ли девочку, а то ли виденье»), и одновременно — от участков, в которых записано все кубинское во главе с легендарным аргентинским революционером.

622-5510923

Он, в свою очередь, передает свою активность обратно в кору, где память о Даше может обрастать новыми связями и возвращаться в гиппокамп по второму кругу — для запоминания новых вещей (например, о магазине, в котором продается такая же футболка, как у Даши).

Когда вы вспоминаете Дашу, вы пытаетесь включить «клетки Даши» в гиппокампе. Делаете вы это, вспоминая максимальное количество образов, которыми изначально ее запомнили: Леонидов… Че Гевара… «И по-моему»… Даша!

721-9857272

Воспоминание — это эмуляция запоминания: те же нейроны активируются теми же зонами мозга и включают те же клетки в гиппокампе, которые работали при первой встрече с Дашей.

Получается, что гиппокамп — это как бы мозговая АТС, связывающая имеющееся знание с новым и таким образом вплетающая новую память в сложившуюся структуру мозга. Частный случай такой работы гиппокампа — мнемонические правила: в этом случае мы искусственно заставляем мозг связать новую информацию с чем-то памятным.

Вся эта модель «мозговой АТС» считалась почти принятой, но прямых доказательств такого ее строения до сих пор не существовало. Доказать надо было центральный постулат: при запоминании и воспоминании активируются одни и те же клетки гиппокампа.

Это и удалось сделать ученым из Дэвиса. Теперь они уверены, что можно считать доказанной правильность всей нашей модели эпизодической памяти — модели, в которой гиппокампу принадлежит ключевая роль в извлечении воспоминаний.

821-6955211

На этом месте новость можно бы и закруглять. Но Journal Club — не для слабых духом. На самом деле весь хардкор не в том, что американские нейробиологи открыли, а в том — как.

914-3074995

Но электроды миллионами в мозг вставлять не станешь. Один раз воткнул — и сиди изучай нейрон, который под электрод попал. Но в данном случае проследить надо не случайно попавшиеся нейроны, а конкретно те, которые до этого активировались при запоминании. И показать, что при воспоминании они активируются снова.

Чем вообще могут выделяться такие нейроны — активные в момент обучения? Например, набором генов, которые у них активировались, когда внезапно был запущен «процесс обучения». Включаются эти гены благодаря специальной последовательности ДНК в начале каждого из них, называемой «промотором». В данном случае на этом промоторе как бы написано: «Активировать нижеследующий ген при активации нейрона».

Эту метку можно взять и привязать к чему-нибудь полезному. Например, к ферменту Cre-рекомбиназе.

1013-8024566

Активность нейрона возникла и исчезла — через несколько часов после обучения нейрон становится неотличим от тысяч других. Но если в этот момент запустить Cre-рекомбиназу, то геном включившихся нейронов можно пометить перманентно. Причем небольшим усложнением процедуры это можно сделать только в определенный промежуток времени, например когда мышь проходит обучение. То есть можно задать временной промежуток, в который мышь будут чему-нибудь учить, и в пределах этого промежутка заставить все активные клетки внести себе в геном пометку.

Как именно можно изменить геном Cre-рекомбиназой? Нужно подсунуть ей ген с меткой «Cre, режь здесь». У этой метки есть вариации: «Cre, режь здесь и удаляй», «Cre, режь здесь и сшивай с другой меткой», «Cre, режь здесь, поверни и сшивай». Короче, тщательно спланированной меткой на нужном гене работу Cre-рекомбиназы можно направить в заданное русло.

1118-1972784

Когда он считывается со своего гена и синтезируется, он встраивается в мембрану клетки и ждет светового сигнала. Если на него посветить — археородопсин начинает качать через мембрану протоны и тем самым предотвращает активацию нейрона. То есть археородопсином в сочетании со световым импульсом нейрон можно отключить.

Ученые берут ген археородопсина в пробирке и переворачивают задом наперед. В таком виде его не прочитать — получается эдакое простенькое шифрование. Но по бокам гена помещаются сигналы для Cre-рекомбиназы, в которых записано: «Разрезать с боков, развернуть, вклеить обратно». Полученная генная конструкция пакуется в вирус, который шприцем вводится мыши в гиппокамп.

Вирусы инфицируют нейроны гиппокампа — все подряд. И внедряют в них перевернутый археородопсин. Но перевернутый археородопсин не работает. Заработать он может, только если его вырежет и переклеит Cre-рекомбиназа.

Но Cre-рекомбиназа, как мы установили, включается только в тех нейронах, которые работали при обучении. И только в этих нейронах начинает искать свою любимую метку. В зараженных вирусом клетках гиппокампа она находит перевернутый ген археородопсина и меняет его ориентацию. Ген начинает работать — на мембрану выводится светочувствительный протонный насос.

1214-5167297

Память записывается через нейроны гиппокампа. Активность включает Cre-рекомбиназу. Та переворачивает археородопсин, введенный вирусом. Тот включается. Теперь у «обученных» нейронов есть выключатель.

Через два дня мыши все еще помнят про страшный звук: они продолжают замирать. И тут наконец наступает кульминация эксперимента. Мышам в гиппокамп вводится оптоволокно. И в момент тестирования по этому оптоволокну посылается сигнал зеленым лазером.

Лазер включает археородопсин, и тот начинает выкачивать из клетки протоны, тем самым выключая нейрон. Но происходит это только в тех клетках, которые до этого использовались для запоминания. Остальные на лазер никак не реагируют.

Ученые замерили память снова, но теперь с включенным лазером.

1311-4846097

Вдумайтесь: могло ли такое хотя бы присниться Геккелю, Дарвину или Павлову? Вирусы с искусственными генетическими конструкциями отмечают активную работу нервных клеток сенсором лазерного луча, которым эти клетки потом целенаправленно отключаются, тем самым позволяя доказать старую-престарую психологическую гипотезу: запоминание и воспоминание — в сущности одно и то же.

Добро пожаловать в XXI век.