Když zvíře Naučí se navigovat v novém prostředíNěkteré mozkové buňky začnou reagovat na konkrétních místech. Tyto neurony byly dlouho považovány za klíč k tomu, jak se vytvářejí prostorové vzpomínky. Jakmile je paměť stanovena, často se předpokládá, že je stabilní.
Ale nová studie v Neurověda přírody napadl tento pohled. Vědci sledovali více než 2 500 neuronů u myší, které se naučily provozovat virtuální stopu pro odměnu. Zjistili, že i ty nejstabilnější signály paměti byly rekonstruovány denně prostřednictvím plasticity, což je druh neuronálního opakování.
„Bylo to opravdu překvapivé,“ řekl první autor studie Sachin Vaidya, docent na Baylor College of Medicine, Texas. „Paměť nemusí být pevně stanovena trvalou synaptickou silou, ale místo toho se může spoléhat na několik stabilních synapsí, které každý den spustí plasticitu napříč sítí.“
Jinými slovy, myši nejen nezískaly paměť: aktivně ji rekonstruovaly.
„Není to uznání,“ řekla Vaidya. „Je to mechanismus, který vyrovnává stabilitu a flexibilitu a zachovává jádro paměti a zároveň umožňuje přizpůsobit se síť.“
To odráží to, co někteří vědci již dlouho podezřelí.
„Přestože umístění může zůstat stejné, čas se vždy pohybuje vpřed,“ řekl behaviorální neurovědec Tracey Shors of Rutgers University. „Pokaždé, když přemýšlíte o zážitku, čas se pokročil, a proto je tato paměť, alespoň částečně, také nová.“
Podívejte se, jak běží
Abychom pochopili, jak vzpomínky přetrvávají v průběhu času, vědci vyškolili myši, aby běželi na virtuální stopě. Myši stály na malé platformě a prohlížely se pohyblivou vizuální scénu, aby simulovala pohyb dopředu. Dosažení konec jim vydělal odměnu za vodu. Během několika dnů se myši naučily předvídat odměnu a spolehlivě běžely.
Když běželi, vědci sledovali aktivitu ve stovkách jednotlivých neuronů v hippocampální oblasti zvané CA1, což pomáhá zvířatům sledovat jejich umístění v prostoru. Pomocí dvoufotonového zobrazování vápníku tým zaznamenal stejnou sadu buněk po několik dní.
Zaměřili se na typ signálu nazývaného pole místo, kde se buňka aktivuje na konkrétním místě. Tyto „značky GPS“ v mozku jsou považovány za klíčové ukazatele prostorové paměti. Ve studii tým identifikoval pole místa, která přetrvávala po mnoho dní – druh se obvykle považoval za známky stability paměti.
Sledování stejných buněk v průběhu času se zeptali: Zůstaly tyto prostorové signály stabilní nebo se s časem posunuly?
Stabilita, která není statická
Jak trénink postupoval, více neuronů vytvořilo pole místa a spolehlivě vystřelilo na konkrétní místa na virtuální trati. Tyto vzorce naznačují, že se vytvořila prostorová paměť.
Některá pole místa se objevila krátce a pak zmizela, zatímco jiná zůstala aktivní v konzistentních místech. Tyto delší trvající vzorce byly obvykle interpretovány jako důkaz stabilní stopy paměti. Tým se zaměřil na tyto trvalejší vzorce.
Hledali známky mechanismu plasticity zvané synaptická plasticita behaviorálního časového úseku. Je to trochu jako razítko na místo: Když neuron obdrží silný vstup, vystřelí výbuch aktivity, který zanechává trvalou značku. To se zdálo jako náhlý skok v aktivitě na novém místě, následoval pokračující palbu.
Je překvapivé, že dokonce i neurony se stabilními polími místa vykazovaly další den na stejném místě nové podpisy synaptické plasticity v průběhu chování. Jinými slovy, stabilita nebyla statická: byla přestavěna prostřednictvím nových událostí plasticity.
K těmto reaktivacím se často vyskytovala na stejném místě a byla pravděpodobnější v buňkách aktivních den předtím. V průběhu času se buňky s předchozí aktivitou stále častěji znovu aktivují, což naznačuje, že stabilita paměti vyplynula z opakovaného náboru.
Ale co znamenalo určité synapsy jako „stabilní“?
Sourav Banerjee, neurovědec a profesor v Národním výzkumném středisku mozku v Manesar, poukázal na dlouhé nekódující RNA (lncRNA), molekuly, které nevyrábějí proteiny, ale pomáhají regulovat genovou aktivitu na konkrétních místech.
„Naše laboratoř našla lncRNA v synapsích CA1, která se zdá, že to dělá přesně,“ vysvětlil Banerjee. „Když jsme to vyřadili pomocí CRISPR zaměřeného na synapse (nástroj pro editující gen), tyto synapse ztratily aktivitu a zvíře vykazovaly jasné deficity paměti.“
U myší došlo k reaktivaci, i když paměť zůstala stejná. Zjištění naznačovalo, že některé mozkové buňky mohou být nutné opakovaně znovu zapojit, aby byla paměť aktivní.
Pokaždé, když si vzpomínáme na paměť, mozek ji může znovu rekonstruovat.
„Naším pracovní myšlenkou je, že stabilní synapse zvyšují pravděpodobnost reaktivace míst buněk,“ řekl Vaidya. „Ale plasticita je pravděpodobnostní. Buňka by mohla na nějakou dobu ztichnit a stále se znovu objevit. Může to být, jak dlouhodobá paměť přetrvává navzdory dočasným výpadkům v aktivitě.“
Abychom otestovali, zda tento druh pravděpodobnostní reaktivace – tj. Jak pravděpodobné, že neuron má znovu vystřelit – by mohl vysvětlit, co vidí, vědci se obrátili na modelování.
Paměť jako pravděpodobnost, ne trvalost
Vědci simulovali tři modely. Jeden předpokládal, že neuron zůstal navždy aktivní, jakmile se stal aktivním, jako vyrytá stopa. Další léčená neuronová aktivita jako náhodná, zapnutí nebo vypnutí denně bez vzpomínky na minulé stavy. Třetí, nazývaná kaskádová model, zvýšila pravděpodobnost reaktivace pokaždé, když k ní došlo, a nechala stabilitu se postupem času stavět.
Podle vědců, kteří zachytili jak vzestup stabilních buněk stabilních míst, tak jejich konzistentní střelby po celé dny, pouze kaskádový model odpovídal skutečným datům mozku. To odráželo koncept zvaný metaplasticita, kde minulá aktivita neuronu způsobuje, že se opět změní.
„Vždycky jsem přemýšlel, zda by stabilní formy plasticity, jako je trvalé synaptické posílení, by mohly odpovídat za dynamickou povahu vzpomínek,“ řekl Shors z Rutgers University. „Dynamičtější forma, tato metaplasticita, je zdánlivě nezbytná.“
To znamená, že paměť nemusí být pevná nebo náhodná, ale ji je formována zkušenostmi a udržována praxí.
Když nedochází k reaktivaci
Studie myši vyvolala další otázku: Co se stane, když reaktivace selže nebo když mozek aktivně demontuje paměť?
Další nová studie, která byla zveřejněna v Současná biologieOtočil se na ovocné mušky, aby to přesně prozkoumal, odhalil, jak by se krátkodobá stopa paměti mohla posunout, a pak zmizet, pokud by nebyla udržována.
Na ovocných muškách zkoumali vědci z Tsinghua University v Pekingu asociativní paměť vytvořenou po úkolu z cukru. Bezprostředně po tréninku se signál objevil v synapse mezi neurony, které zpracovávají odměnu, ale během jedné hodiny zmizely. Mezitím se objevil druhý signál v jiné oblasti mozku zahrnující novou sadu spojení.
Vědci to nazvali posunem stopy, protože paměť se přesunula z jednoho místa v těle do druhého. V posledně jmenovaném začaly neurony vytvářet čerstvé aktivní zóny, struktury, kde se uvolňují neurotransmitery. Ale tyto nové zóny netrvaly. Bylo to, jako by mozek otevřel druhý paměťový sklad a označil jej pro demolici. Molekuly jako Rac1 a Efrin fungovaly jako předchůdce, instruovaly odstranění nových aktivních zón a demontovaly druhou stopu. Když byly tyto posádky molekulární demolice blokovány, paměť přetrvávala mnohem déle.
Existují podobné mechanismy zapomínání u savců? Banerjee řekl ano. V jedné studii, o které byl součástí, vědci zjistili, že odstranění specifické lncRNA v infralimbické kůře narušilo vymírání strachu i po opakované expozici.
Jeho tým také odhalil metabolický spojení: lncRNA, která regulovala produkci ATP při hippocampálních synapsích.
„Narušit spánek, ztratit energii a stopy se zhroutí,“ řekl Banerjee. „Ukazuje, jak molekulární a metabolické faktory mohou přímo ovlivnit, zda paměť zmizí nebo přetrvává.“
Studie mušky spíše než pasivní rozpad popsala zapomenutí jako orchestrovaný, vícestupňový proces spuštěný, jakmile se paměť přesune na místo označené pro odstranění.
Banerjeeova zjištění naznačovala savčí paralely: To také je aktivní a regulovaný proces, i když více nuanční a složitější.
„Rac a efrin ovlivňují tvar synapsí, a to může učinit méně stabilní,“ řekl Banerjee. „Ale nemyslím si, že tyto molekuly samotné vysvětlují druh posunu paměti, který jsme viděli v mumcích. Tato úroveň změny pravděpodobně závisí více na tom, jak se skupiny neuronů chovají společně, než jen na tom, co se děje v jednotlivých souvislostech. Ještě nejsme úplně při propojení těchto velkých vzorců s molekulárními detaily-ale tam musíme jít.“
Když paměť přetrvává, nebo ne
Často považujeme vzpomínky za statické: něco stanoveného a připraveného k vzpomínce. Ale to, co se stane po formě paměti, může být stejně důležité jako to, jak se tvoří.
„Existuje silná analogie pro rozmístěné versus hromadné učení,“ řekl Banerjee. „Pomyslete na dva studenty: jeden studuje neustále měsíce, druhý napětí noc předtím. První obvykle dělá lépe, protože opakovaná expozice pomáhá uzamknout v paměti. V mozku děláme něco podobného. Rozmístěné učení opakovaně znovu zapojuje stejné synapsy.“
Široce podporovaná teorie pro to, jak to funguje, se nazývá přestavba obvodů.
„Myšlenka je, že opakovaná aktivace nejen posiluje spojení, ale spustí molekulární změny, které pomáhají stabilizovat,“ řekl Banerjee. „Nové proteiny se vyrábějí v aktivních synapsích, které signalizují zpět k jádru a aktivují syntézu proteinů. Později mohou tyto proteiny„ zachytit “jiné synapsy a tento dvoustupňový proces je to, jak prchavá aktivita se stává trvalou pamětí.“
U myší se paměťové stopy vrátily na stejné místo během mnoha dnů tréninku – ale pouze tím, že byly aktivně přestavěny. U mouch se krátkodobé vzpomínky posunuly a byly demontovány, pokud nejsou zachovány. Studie společně ukazují, že paměť je dynamická: v případě potřeby přestavěna, pusťte, když to není.
Tento druh flexibility naznačuje hlubší funkci.
„Účelem paměti není vzpomenout si na minulost,“ řekl Shors. „Používáme vzpomínky, abychom se dozvěděli, co bychom měli dělat nyní a v budoucnu.“
Z tohoto pohledu je paměť méně záznamem než zkouška, která vyladí mysl jednat.
Přes rozdíly v druzích, oblastech mozku a typech paměti oběma studie poukazují na provokativní myšlenku: paměť není ve výchozím nastavení mozkové obchody. Je to živý proces: přestavěn, posílen a aktivně chráněn před rozkladem, od molekulární úrovně po měřítko celých nervových obvodů.
Anirban Mukhopadhyay je genetickým tréninkem a vědeckým komunikátorem z Dillí.
