Дослідники виявили, що формування пам’яті пов’язано з великомасштабними змінами хроматину нейронів.

Понад століття тому зоолог Річард Семона ввів термін «Енграма» для позначення фізичного сліду, який спогад має залишати в мозку, наприклад, відбитку. Відтоді нейробіологи досягли прогресу в пошуках того, як саме наш мозок формує спогади. Вони дізналися, що певні клітини мозку активуються, коли ми формуємо пам’ять, і реактивуються, коли ми її пам’ятаємо, зміцнюючи зв’язки між залученими нейронами. Ця зміна зміцнює пам’ять і дозволяє нам зберігати спогади, які ми згадуємо частіше, в той час, як інші зникають. Але було важко визначити точні фізичні зміни в наших нейронах, які викликає робота пам’яті.

У дослідженні, опублікованому в жовтні, дослідники з Массачусетського технологічного інституту простежили важливу частину процесу роботи пам’яті на молекулярному рівні в хромосомах енграмних клітинах. Нейробіологи вже знали, що формування пам’яті не відбувається миттєво і що процес запам’ятовування має вирішальне значення для закріплення пам’яті в мозку. Ці дослідники відкрили деякі фізичні втілення цього механізму.

Група Массачусетського технологічного інституту працювала з мишами, в геном яких був вбудований флуоресцентний маркер, щоб їх клітини світилися щоразу, коли вони експресували ген Arc, який пов’язаний з формуванням пам’яті. Вчені помістили цих мишей в нове місце і навчили їх боятися певного шуму, а потім через кілька днів повернули їх в те місце, щоб знову активувати пам’ять. В області мозку, що називається гіпокампом, клітини енграми, які сформували і запам’ятали цей спогад, загорілися кольором, що дозволило легко відокремити їх від інших клітин мозку під мікроскопом під час патологоанатомічного дослідження.

Вдивляючись в ядра цих енграмних клітин, дослідники помітили дрібнозернисті зміни в архітектурі хроматину – комплексу ДНК і регуляторних білків, складових хромосоми, – у міру того, як формувалася пам’ять. Частини хроматину виявились реорганізовані таким чином, що гени, пов’язані з пам’яттю, змогли бути легко залучені для зміцнення і збереження пам’яті. «По суті, весь процес формування пам’яті – це фундаментальне, базове явище», – сказав Лі-Хуей Цай, директор Інституту навчання і пам’яті Пікауера Массачусетського технологічного інституту і старший автор дослідження.

Розминка на пам’ять

Цей висновок не зрозумілим з самого початку експерименту. Відразу після формування спогаду не було помічено великих відмінностей в тому, як клітини енграми експресували свої гени. Але дослідники помітили деякі структурні зміни в хроматині клітин: деякі ділянки ДНК стали більш доступними, зрушуючись так, аби білки хроматину і інші ділянки ДНК не закривали їх. Це зробило гени в цій ДНК більш доступними для стимуляторів (енхансерс): генетичних елементів, які можуть збільшити активацію генів.

Через кілька днів дослідники помітили нові зміни. ДНК піддалася подальшій розбудові, так що багато хто з цих стимуляторів були ближче до конкретних генів, на які вони націлені. Проте, досі не відбулося кардинальних змін в способі експресії генів. «У той час я був дійсно пригнічений, – сказав Асаф Марко, науковий співробітник Массачусетського технологічного інституту і провідний автор дослідження. «Це взагалі не мало сенсу».

Але коли мишей помістили назад в середовище, в якій вони спочатку сформували цю пам’ять, пішов сплеск експресії генів. Структурні зміни стимуляторів збігаються з цими патернами активації, що призводить до більш міцних зв’язків між залученими нейронами. Саме тоді Марко зрозумів, що архітектурні зміни хроматину готують клітини до посилення спогадів при їх виклику.

«Це майже як розминка перед тренуванням», – пояснив Стів Рамірес, доцент кафедри психології і науки про мозок Бостонського університету. У міру формування пам’яті клітини енграми готуються до експресії генів, які будуть створювати і зміцнювати зв’язки між ними. Однак клітини можуть повною мірою скористатися цими прихованими змінами тільки тоді, коли спогад буде викликаний в свідомості. «Вони готові запустити процес спогади», – сказав він. «Ця дуже бентежна ідея».

За останнє десятиліття або близько того кілька груп, які проводять дослідження енграм, почали підозрювати, що структурні зміни в хроматині змушують клітину створювати і зберігати спогади. «Ми всі думали про це, але те що ця стаття демонструє це – приголомшує», – сказала Іва Зовкіч, доцент кафедри психології Університету Торонто. Більш того, дослідження групи Массачусетського технологічного інституту зміцнило цю концепцію з новими видами доказів, розділивши стадії формування пам’яті і спогадів, щоб побачити, коли ці структурні зміни грають роль. «Це дійсно більш прямий спосіб показати це, ніж все, що було зроблено раніше», – сказав Зовкіч.

За словами Раміреса, нові технології, які можуть аналізувати генетичні та клітинні зміни в дуже малих масштабах, викликали відродження інграммної нейробіології за останні кілька років. Це нова можливість зв’язати молекулярні зміни в системах мозку з поведінкою. «Одним з найбільш захоплюючих моментів в цій статті було те, що вона дійсно звертає увагу на цей рівень», – сказав він. «Це дійсно диво – бачити такий висновок».

Вивчення архітектури

Проте, навіть самі передові інструменти не можуть з такою точністю відстежити формування пам’яті у живих тварин, тому вчені не можуть так уважно спостерігати за формуванням пам’яті людини. Ці процеси були вивчені на мишах, і людські клітини можуть не слідувати тим же шаблонам, кодуючи більш складні спогади, які перехрещуються. «На даному етапі дуже складно оцінити, скільки всього можна застосувати до досліджень на людях», – сказав Шон Лю, доцент кафедри фізіології та клітинної біофізики Колумбійського університету.

Але у мишей і людей є загальні схеми пам’яті. Це дослідження відстежування клітини в гіпокампі. Відмінності між людською і мишачими версіями гіпокампу обмежують можливість застосування результатів дослідження, але в рамках цього нового підполя вони є переконливими точками даних.

За словами Раміреса, за допомогою додаткових експериментів, подібних до цього, можна дізнатись, які клітини мозку слідують цим шаблонах, і чи ці шаблони однакові для різних типів спогадів, будь-то емоційні моменти, фізичні навички або візуальна інформація, які зберігаються в вашому мозку. Це могло б виявити ширший принцип формування спогадів, що, своєю чергою, могло б вказувати на методи лікування таких станів, як посттравматичний стресовий розлад або хвороба Альцгеймера, при яких спогади дуже стійкі або недостатньо стійкі. Розуміння на молекулярному рівні того, як мозок закріплює одні спогади і втрачає інші, може створити можливості для впливу на старіння, навчання та інші важливі процеси.

Про ці зміни в архітектурі хроматину можна дізнатися значно більше. Багато видів факторів навколишнього середовища, такі як харчування або стрес, можуть змінювати розташування ДНК і білків в хроматині з подальшими ефектами, якщо ДНК експресується і впливає на поведінку клітин.

«Хоча ми нанесли на карту геном, ми все ще не розуміємо його більшу частину», – сказав Марко.

 

Джерело