Каждый день мозг превращает мимолетные впечатления, творческие идеи и эмоциональные переживания в долгосрочные воспоминания, которые формируют нашу личность и направляют наши решения. Одним из центральных вопросов в неврологии всегда было то, как мозг определяет, какие фрагменты информации стоит хранить и как долго эти воспоминания должны сохраняться.
Недавние исследования показывают, что долговременная память формируется посредством последовательных молекулярных механизмов синхронизации, которые активируются в различных частях мозга. Используя поведенческую систему виртуальной реальности на мышах, ученые выявили регуляторные факторы, помогающие воспоминаниям переходить во все более стабильные состояния или полностью исчезать.
Исследование, опубликованное в журнале «Nature», подчеркивает, как несколько областей мозга совместно реорганизуют воспоминания с течением времени, используя так называемые «контрольные точки», которые помогают оценить значимость каждого воспоминания и его предполагаемую долговечность. Прия Раджасетхупати, руководитель Лаборатории нейронной динамики и когнитивных функций Сколор-Хорбах, отмечает, что это ключевое открытие объясняет, как мы регулируем стойкость воспоминаний. Процесс выбора того, что мы запоминаем, является непрерывной эволюцией, а не однократным щелчком выключателя.
Долгое время исследователи фокусировались на двух основных центрах памяти: гиппокампе, отвечающем за кратковременную память, и коре головного мозга, которая, как считалось, хранит долговременные воспоминания. Эти долгосрочные воспоминания представлялись как биологические переключатели «вкл/выкл». Существующие модели памяти в мозге предполагали наличие транзисторных молекул памяти, действующих как бинарные переключатели, говорила Раджасетхупати. Согласно этому устаревшему представлению, как только память была помечена для долговременного хранения, она должна была сохраняться бесконечно. Хотя эта концепция давала полезные сведения, она не могла объяснить, почему одни долгосрочные воспоминания сохраняются неделями, а другие остаются яркими десятилетиями.
В 2023 году Раджасетхупати и ее коллеги описали мозговую цепь, соединяющую системы кратковременной и долговременной памяти. Центральным элементом этого пути является таламус, который помогает определить, какие воспоминания следует сохранить, и направляет их в кору для долговременной стабилизации. Эти открытия открыли путь к более глубоким вопросам: что происходит с воспоминаниями, когда они покидают гиппокамп, и какие молекулярные процессы определяют, станет ли память устойчивой или исчезнет?
Для изучения этих механизмов команда создала установку виртуальной реальности, позволяющую мышам формировать специфические воспоминания. Постдок Андреа Терсерос разработала элегантную поведенческую модель, которая позволила по-новому подойти к этой проблеме. Варьируя частоту повторения определенных переживаний, исследователи добились того, что мыши запоминали одни вещи лучше других, а затем изучали мозг, чтобы выявить механизмы, коррелирующие со стойкостью памяти. Однако одной лишь корреляции было недостаточно для ответа на ключевые вопросы, поэтому соруководительница Селин Чен создала платформу для скрининга на основе технологии CRISPR, чтобы изменить активность генов в таламусе и коре. Этот подход показал, что удаление определенных молекул изменяет продолжительность сохранения воспоминаний, причем каждая молекула действовала в своем собственном временном масштабе.
Результаты показывают, что долговременная память основана не на одном переключателе «вкл/выкл», а на последовательности ген-регулирующих программ, которые разворачиваются подобно молекулярным таймерам по всему мозгу. Ранние таймеры активируются быстро, но так же быстро затухают, позволяя воспоминаниям исчезать. Более поздние таймеры включаются постепенно, что дает важным переживаниям структурную поддержку, необходимую для сохранения. В этом исследовании повторение служило мерой значимости, позволяя исследователям сравнивать часто повторяющиеся контексты с теми, что наблюдались лишь эпизодически.
Команда выявила три транскрипционных регулятора, необходимых для поддержания памяти: Camta1 и Tcf4 в таламусе, а также Ash1l в передней поясной коре. Эти молекулы необходимы не для формирования первоначальной памяти, а для ее сохранения. Нарушение работы Camta1 и Tcf4 ослабляло связи между таламусом и корой и приводило к потере памяти. Согласно предложенной модели, формирование памяти начинается в гиппокампе. Camta1 и его нижестоящие мишени помогают сохранять эту раннюю память нетронутой. Со временем Tcf4 и его мишени активируются, чтобы усилить клеточную адгезию и структурную поддержку. Наконец, Ash1l способствует программам ремоделирования хроматина, которые укрепляют стабильность памяти. Раджасетхупати подчеркивает: «Если вы не закрепляете воспоминания на этих таймерах, мы считаем, что они быстро забываются».
Ash1l является частью семейства белков, известных как гистоновые метилтрансферазы, которые помогают поддерживать функции, подобные памяти, в других системах. В иммунной системе эти молекулы помогают организму запоминать прошлые инфекции; во время развития те же молекулы помогают клеткам помнить, что они стали нейроном или мышцей, и сохранять эту идентичность в долгосрочной перспективе, отмечает Раджасетхупати. По ее мнению, мозг может перепрофилировать эти повсеместные формы клеточной памяти для поддержки когнитивных воспоминаний.
Эти открытия в конечном итоге могут помочь исследователям в борьбе с заболеваниями, связанными с нарушениями памяти. Раджасетхупати предполагает, что, понимая генные программы, которые сохраняют память, ученые смогут перенаправлять пути памяти в обход поврежденных областей мозга при таких состояниях, как болезнь Альцгеймера. Если мы знаем вторые и третьи области, важные для консолидации памяти, и у нас отмирают нейроны в первой области, возможно, мы сможем обойти поврежденную область и позволить здоровым частям мозга взять на себя эти функции, рассуждает она.
Команда Раджасетхупати теперь стремится выяснить, как активируются эти молекулярные таймеры и что определяет их продолжительность. Это включает исследование того, как мозг оценивает важность воспоминания и решает, как долго оно должно сохраняться. Их работа продолжает указывать на таламус как на центральный узел в этом процессе принятия решений. Раджасетхупати заключает: «Мы заинтересованы в понимании жизни памяти за пределами ее первоначального формирования в гиппокампе. Мы считаем, что таламус и его параллельные потоки связи с корой играют центральную роль в этом процессе».
