Консолидация памяти во сне потребовала нейрогенеза гиппокампа

Нейроны зубчатой извилины гиппокампа, которые появляются в результате нейрогенеза у взрослых мышей, участвуют в консолидации контекстно-зависимой памяти во время фазы быстрого сна. Большинство молодых нервных клеток, которые возбуждались во время сна, были активны и при предшествующем обучении. Подавление или активация новых нейронов во время быстрого сна нарушили консолидацию памяти и работу немедленных ранних генов клеток зубчатой извилины, а на самих молодых нейронах появились удлиненные шипики. Исследование опубликовано в журнале Neuron.

Зубчатая извилина гиппокампа — одна из двух областей, в которой обнаружен взрослый нейрогенез, но функции молодых нейронов в нем пока изучены мало: отчасти из-за того, что таких клеток немного, а отчасти — из-за того, что их открыли относительно недавно. Уже ясно, что молодые нейроны играют важную роль в формировании памяти — сам гиппокамп является ключевой структурой для долговременной эпизодической памяти, а новые нейроны особенно пластичны, что удобно для создания памятных следов.

Чтобы доказать участие молодых нервных клеток в процессах памяти, в нескольких работах их затормаживали с помощью методов оптогенетики во время обучения или извлечения памяти. В одном из экспериментов активность молодых нейронов пробовали как понижать, так и повышать. Интересно, что все перечисленные манипуляции привели к нарушению памяти — значит, для запоминания важна тонкая настройка новых нервных клеток.

Ученые из Великобритании, США и Японии под руководством Масанори Сакагути (Masanori Sakaguchi) из Университета Цукубы с помощью кальциевой визуализации регистрировали активность молодых нейронов мышей во время обучения и при последующей консолидации памяти во сне. Они создали линию мышей, в молодых (меньше четырех недель) нейронах которых экспрессировался кальциевый биосенсор. При активации клетки в ее цитоплазму входил кальций, и сенсор начинал флуоресцировать. Свечение в гиппокампе улавливал микроэндоскоп — микроскоп, который крепится на голове мыши и позволяет ей свободно двигаться.

У мышей вырабатывали память на контекст: животных помещали в экспериментальную камеру и били током либо сразу, либо через шесть минут. В первом случае боль не ассоциировалась с видом камеры, а во втором формировалась память о связи контекста и неприятных ощущений. Когда мышей возвращали в ту же камеру через сутки, животные из первой группы вели себя спокойно, а из второй замирали (так мыши проявляют страх).

Активность молодых нейронов во время бодрствования была выше, чем во сне, а после обучения новые нейроны во время фазы быстрого сна возбуждались ещё меньше (p < 0,05). Ученые решили проследить за динамикой активности индивидуальных нейронов до, во время и после обучения. Больше половины нейронов, которые были активны во время фазы быстрого сна после формирования памяти, были возбуждены и во время самого обучения, но не при извлечении памяти, тогда как активность остальных нейронов оставалась постоянной во время всех экспериментальных процедур. Значит, часть молодых нервных клеток участвует в формировании памятного следа и его перестройке во время фазы быстрого сна, хотя в целом активность новых нейронов в фазу быстрого сна после обучения снижается.

Чтобы доказать участие молодых нейронов в консолидации памяти, их оптогенетически затормаживали во время быстрого сна после обучения. Влияние процедуры на работу зубчатой извилины гиппокампа и памятный след оценивали четырьмя способами. Во время сна записывали ЭЭГ зубчатой извилины — во время фазы быстрого сна на ней возникают тета-ритмы, которые необходимы для консолидации памяти. Во-вторых, сразу после затормаживания молодых нейронов секвенировали РНК зубчатой извилины, чтобы проанализировать активность генов в этой области. Кроме того, оценивали длину шипиков нейронов гиппокампа — после обучения нейроны перестраиваются и формируют новые отростки, а во время фазы быстрого сна они укрепляются. Наконец, после затормаживания новых нейронов в фазе быстрого сна проверяли сохранность памятного следа — животных сажали в камеру, в которой накануне их били током и замеряли уровень замирания.

Затормаживание молодых нейронов не нарушило тета-ритмы гиппокампа, но снизило экспрессию ряда немедленных ранних генов - это указывает на нарушение активности нейронов и их синаптической пластичности, необходимых для консолидации памяти. После обучения на молодых нейронах появилось больше шипиков, а их головки стали крупнее. В нейронах, активность которых подавляли во время фазы быстрого сна, шипики были более длинными. Удлинение отростков дендритов связывают с ослаблением синаптических связей и десинхронизацией возбуждения нейронов; длинные шипики также характерны для молодых нейронов мышей с нарушениями рабочей памяти.

Мыши, молодые нейроны которых затормаживали во время фазы быстрого сна, не замирали в экспериментальной камере на следующий день. Такого эффекта не было, если активность нейронов подавляли вне окна консолидации памяти (через шесть часов после обучения), во время медленной фазы сна или бодрствования, а также когда воздействовали на незрелые (двухнедельные) или, наоборот, полностью сформированнные 10-недельные новые нейроны. Памятный след нарушала даже выборочная активация части молодых нейронов во время фазы быстрого сна. Ученые сделали вывод, что новые нейроны участвуют в консолидации контекстно-зависимой памяти во время фазы быстрого сна, причем важна тонкая настройка их работы — как торможение, так и излишняя активация нарушают памятный след.

Исследованию группы Масанори Сакагути предшествовала работа команды Натана Дэниелсона (Nathan Danielson) 2016 года. Тогда ученые впервые попробовали изменять активность молодых нейронов и выяснили, что тонкая настройка работы новых клеток необходима для успешной консолидации памяти.

Алиса Бахарева