Кратковременные воспоминания стали долговременными благодаря работе таламуса

Таламус помогает отбирать воспоминания и закреплять их в коре головного мозга мышей. Это выяснили исследователи из США, предложив мышам бегать по виртуальным коридорам, которые приводили либо к награде, либо к не очень приятному наказанию. Воздействуя на работу разных участков мозга во время обучения и тестов, ученые выяснили, что гиппокамп необходим для формирования кратковременных воспоминаний, но за перенос их в долговременную память отвечает таламус. Он же и определяет, какие из воспоминаний сохранять. Результаты опубликованы в журнале Cell.

Гиппокамп помогает нам учиться и запоминать новое, и какое-то время хранит информацию в кратковременной памяти. Затем воспоминания либо стираются, либо переходят в долговременную память — переносятся из гиппокампа в кору — этот процесс называют консолидацией памяти. Во всяком случае такое происходит с явными воспоминаниями, которые мы можем вызвать сознательно, если захотим. Но до конца не ясно, как именно происходит этот перенос памяти, и как мозг решает, какие воспоминания сохранить, а какие — стереть.

Чтобы это выяснить, Эндрю Тодер (Andrew Toader) из Рокфеллеровского университета с коллегами придумали поведенческий эксперимент, в котором мыши бежали по виртуальным коридорам, в конце которых их ждала или награда, или наказание. Животные должны были надолго запомнить и тот, и другой опыт — на это запоминание и воздействовали исследователи, активируя то одну, то другую область мышиного мозга в разные моменты. Также они разработали технологию одновременной и длительной визуализации разных регионов мозга — чтобы отслеживать активность нейронов на протяжении всего периода обучения и консолидации воспоминаний.

Во время обучения и тестов в виртуальной реальности мыши передвигались по виртуальным коридорам, которые проецировались на экран перед ними. В реальности животные бегали на вращающемся пенопластовом шарике. Каждый коридор приводил к определенному результату в реальном мире, а визуальные, звуковые и обонятельные сигналы отличали коридоры друг от друга. Коридор с синими звездами на стенах, запахом альфа-пинена и звуковыми сигналами частотой 5 килогерц приводил мышь к неограниченной сладкой воде из поилки, которая находилась прямо перед ней. А если животное бежало по коридору с желтыми треугольниками, запахом октанола и 9-килогерцовыми звуками — то в конце забега получало струю воздуха прямо в морду.

Обучение длилось 5 дней. После обучения мыши возвращались к заданию несколько раз — на 6, 13, 20, 27, 41 и 55 дни эксперимента. В зависимости от того, как быстро мыши бежали по виртуальным коридорам и как часто лизали носик поилки в надежде на награду, исследователи определяли, помнит мышь, куда должен привести каждый коридор, или нет. В коридоре с желтыми треугольниками мыши начинали двигаться медленнее, предчувствуя неприятный финал, а в коридоре с синими звездами, напротив, ускорялись. Воспоминания, связанные с высокой наградой и с неприятным стимулом сохранялись даже спустя 50 дней.

Если ученые ингибировали гиппокамп мышей во время обучения, мыши не запоминали коридоры — вспомнить их не получалось уже на следующий день. А вот ингибирование гиппокампа в другой когорте мышей уже спустя три недели после обучения не помешало мышам помнить. Зато теперь воспроизводство воспоминаний зависело от передней поясной коры — нарушение ее работы приводило к забыванию.

Чтобы выяснить, какие регионы мозга участвуют в формировании и закреплении воспоминаний, авторы во время обучения и во время тестов записывали активность нескольких областей мозга, которые связаны с гиппокампом с одной стороны и с корой — с другой. Они заметили, что во время обучения активируется один из таких регионов — передние ядра таламуса. Причем сигналы таламуса появляются на 4–5 день обучения — это значит, что активность таламуса отражает не просто сенсорные сигналы животного, а усвоенную им ассоциацию.

Тогда исследователи сделали так, чтобы во время тренировок сигналы из таламуса в кору не поступали — с помощью оптогенетики ингибировали активность цепи, которая соединяет переднемедиальные ядра таламуса с передней поясной корой. Это не повлияло на краткосрочную память — на следующий день мыши помнили, куда приводит тот или иной коридор. Однако спустя время (на 27 день) животные не могли вспомнить то, чему научились. Нарушение связи таламуса и коры помешало информации перейти из кратковременной памяти в долговременную.

Затем ученые, наоборот, стимулировали эту цепь во время обучения. Так они проверяли, поможет ли это мышам сохранить воспоминания, которые в другой ситуации стерлись бы. Для этого в виртуальное пространство пришлось добавить еще один коридор, который приводил к приятной, но незначительной награде — пяти каплям сладкой воды из поилки. Этот коридор отличали зеленые ромбы, звук частотой 11 килогерц и запах эфирного масла апельсина. Контрольные мыши такой незначительный стимул не запомнили — так же, как и мы не запоминаем каждый прием пищи, но почти наверняка запоминаем новогодний ужин. Но те мыши, чей таламус исследователи стимулировали, помнили не только коридор, приводящий к существенной награде, но и тот, в конце которого их ждало всего пять капель сладкой воды.

Чтобы разобраться, как именно таламус усиливает консолидацию воспоминаний, ученые разработали технологию одновременной визуализации гиппокампа, таламуса и коры головного мозга с клеточным разрешением. Так они смогли наблюдать за нейронной активностью всех трех областей мозга во время обучения и на протяжении всего периода консолидации памяти — то есть в течение 34 дней. В то время, как гиппокамп кодировал все воспоминания, переднемедиальный таламус кодировал только важные воспоминания, и с течением времени увеличивалась синхронизация активности таламуса и коры (на 20 день корреляция достигла пика) — то есть происходила консолидация.

Ранее мы писали о том, как активация нейронов переднего таламуса помогла восстановить рабочую память у пожилых мышей — они лучше запоминали, в какой рукав лабиринта нужно поворачивать.