Обучение и формирование долговременных воспоминаний у животных основано на постоянном образовании новых и отмирании старых связей между нейронами мозга. Американским нейробиологам впервые удалось детально проследить за этими процессами в ходе обучения у мышей. Оказалось, что при обучении дендриты (ветвящиеся «входные» отростки нейронов) образуют множество новых веточек, количество которых коррелирует с эффективностью обучения. После окончания тренировок большая часть новых отростков постепенно атрофируется, но некоторые сохраняются на всю жизнь, что обеспечивает длительное хранение приобретенных воспоминаний и навыков.

Механизмы формирования памяти на молекулярном и клеточном уровнях сегодня в общих чертах понятны (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). У млекопитающих ключевую роль в обучении и формировании долговременных воспоминаний играет непрерывное отращивание дендритами (короткими, разветвленными «входными» отростками нейронов) новых маленьких отросточков — дендритных шипиков. Шипики образуют контакты (синапсы) с другими нейронами и служат для приема сигналов. Наряду с отращиванием новых шипиков постоянно происходит исчезновение старых (это, очевидно, приводит к полному или частичному забыванию результатов прежнего обучения). Таким образом, нейрон может «подключаться» к тем или иным своим соседям и отсоединяться от них, усиливать и ослаблять силу контакта с ними (то есть придавать больший или меньший «вес» получаемым от них импульсам).

Мозг млекопитающих сочетает в себе две способности, которые, казалось бы, противоречат друг другу: постоянно усваивать новые знания (например, в виде приобретаемых условных рефлексов) и одновременно — сохранять часть приобретенных знаний до самой смерти. Как удается мозгу совмещать высокую пластичность межнейронных связей со стабильным хранением воспоминаний?
Разобраться в этом помогли, как обычно, новые приборы и методики. Нейробиологи из медицинского центра Нью-Йоркского университета использовали в своих опытах генно-модифицированных мышей, у которых некоторые нейроны коры головного мозга (а именно пирамидальные нейроны слоя V неокортекса, см.: Pyramidal neuron) производят желтый флуоресцирующий белок. Это позволяет наблюдать за ростом и отмиранием дендритных шипиков прямо у живых мышей, сквозь череп, при помощи двухфотонного лазерного микроскопа.

Схема эксперимента (а), участки моторной коры под разным увеличением (b, c) и формирование новых шипиков на отдельном участке одного дендрита (d, e). На рисунке e красными стрелками показаны два дендритных шипика, выросшие за два дня обучения бегу на крутящемся цилиндре.

В первом эксперименте мышей в течение двух дней обучали бегать по быстро вращающемуся цилиндру — трюк, требующий определенного навыка. За эти два дня у мышей в нейронах участка моторной коры, отвечающего за движение передних лап, образовалось на 5–7% больше новых шипиков, чем у контрольных мышей, которые ничему не обучались. Кроме того, оказалось, что при продолжении однообразных тренировок образование новых шипиков замедляется (поскольку зверек уже научился этому трюку), но снова активизируется, если начать учить мышей чему-то другому (например, бежать по тому же цилиндру задом наперед). Это означает, что образование шипиков связано именно с обучением, а не просто с физическими упражнениями.

Во втором эксперименте вместо бега по крутящемуся цилиндру мышам нужно было научиться жить (и находить пищу и воду) в помещении, заполненном свисающими с потолка гирляндами из шариков. На этот раз новые шипики образовывались в основном в том отделе коры, который получает информацию от вибрисс (чувствительных усиков). У мышей с обстриженными усами дендриты этого отдела мозга не отращивали новых шипиков. Рост дендритных шипиков замедлялся после двух дней жизни в необычной обстановке, но снова активизировался при пересадке мыши в помещение с другими гирляндами.

После этого ученые проследили, как происходит утрата новоприобретенных шипиков после прекращения тренировок (что соответствует постепенному забыванию полученных «уроков»). Оказалось, что более 75% новых шипиков, отросших в ходе двухдневного обучения, утрачиваются в течение следующих двух недель. Гораздо медленнее происходит утрата шипиков, приобретенных в ходе более длительного (4–14-дневного) обучения.

Естественно предположить, что те шипики, которые сохраняются надолго, отвечают за долговременное сохранение приобретенных навыков. Экспериментаторы проверили это, сопоставив число сохранившихся шипиков со степенью сохранности двигательных навыков через 1–2 недели после окончания тренировок. Результаты полностью подтвердили теоретические ожидания: те мыши, у которых сохранилось больше новоприобретенных шипиков, лучше сохранили и свои двигательные навыки (сохранность двигательных навыков оценивали по скорости, с которой мышь может бежать по крутящемуся барабану, не падая с него).

Авторы также обнаружили, что различные виды длительного (7–14 дневного) обучения приводят к ускоренной утрате дендритных шипиков, приобретенных ранее в течение жизни, в том числе во время предыдущего обучения чему-то другому. Новые навыки и воспоминания постепенно «затирают» старые — но, по-видимому, не до конца. Эффективность усвоения новых навыков положительно коррелирует с числом утраченных старых шипиков.
Сложная математическая обработка результатов наблюдений за сравнительно небольшим числом дендритов позволила сделать ряд дополнительных выводов. Новоприобретенные шипики, по-видимому, делятся на три группы: первая, самая многочисленная, исчезает в первые дни после окончания тренировок; вторая, меньшая, сохраняется в среднем 1–2 месяца. Но есть и третья группа шипиков (около 0,8% от общего числа), которая сохраняется на всю жизнь. Авторы рассчитали, что двухдневное обучение бегу на вращающемся цилиндре приводит к формированию около двух миллионов межнейронных контактов, сохраняющихся до самой смерти животного. Очевидно, этого вполне достаточно для сохранения двигательного навыка. До сих пор никто не знал, каким образом осуществляется пожизненное хранение воспоминаний: то ли они «записаны» раз и навсегда в одних и тех же межнейронных контактах, то ли сохраняются динамическим образом, постепенно «переписываясь» из одних синапсов в другие. Полученные результаты — аргумент в пользу первого из двух вариантов.

То, что авторам удалось показать пожизненное сохранение части дендритных шипиков, приобретенных в ходе обучения, является, по-видимому, самым важным результатом их работы. Ранее уже было известно, что система межнейронных связей чрезвычайно пластична и постоянно перестраивается. При этом оставалось неясным, как удается мозгу при такой пластичности и постоянных перестройках сохранять воспоминания в течение всей жизни.

Авторы также рассчитали, что из всех дендритных шипиков, имеющихся у мыши на 30-й день после рождения, до конца жизни сохраняется примерно 30–40%. В заключительной части статьи авторы приводят ряд косвенных аргументов в пользу того, что закономерности, обнаруженные ими у одного типа нейронов коры головного мозга — пирамидальных нейронов слоя V, — являются общими для большинства нейронов коры.

Это исследование заставляет задуматься о многом. Позволит ли дальнейшее развитие подобных технологий когда-нибудь разработать устройство для считывания знаний из мозга — например, умершего человека? Похоже на то, что ничего принципиально невозможного в этом нет. Конечно, необходимо учитывать, что информация в мозге «записана» не только в количестве синапсов, связывающих одни нейроны с другими, но и в их качестве, поскольку «проводимость» у разных синапсов разная и тоже может меняться в процессе обучения.

Источник: Guang Yang, Feng Pan, Wen-Biao Gan. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature. Advance online publication 29 November 2009.

Александр Марков