Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом

В такой обстановке у мышей новые впечатления активнее всего записываются в тех отделах коры, которые обрабатывают тактильную информацию, приходящую от усов (вибрисс). Кадр из фильма, прилагающегося к обсуждаемой статье в Nature
В такой обстановке у мышей новые впечатления активнее всего записываются в тех отделах коры, которые обрабатывают тактильную информацию, приходящую от усов (вибрисс). Кадр из фильма, прилагающегося к обсуждаемой статье в Nature

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. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
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. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

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.

См. также:
1) Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007.
2) Мыши-мутанты не становятся наркоманами, «Элементы», 26.05.2008.
3) Нейроны учат друг друга быть внимательными, «Элементы», 22.06.2007.

Александр Марков


24
Показать комментарии (24)
Свернуть комментарии (24)

  • feb7  | 04.12.2009 | 04:56 Ответить
    Потрясающая новость. Один из механизмов памяти прояснился.

    Но вот вопрос. Недавно услышал один запах, и вмиг вспомнил название лекарства, которым меня в детстве лечили - "капли датского короля". Столько лет прошло, я и не знал, что помню. Меня это просто потрясло тогда.

    А то, что собирался сделать, пока из комнаты на кухню шел, иногда отшибает, пока идешь. Приходится возвращаться обратно, на то место, откуда пошел, и тогда осеняет! Это как?
    Ответить
    • a_b > feb7 | 04.12.2009 | 09:39 Ответить
      Данное исследование отвечает на вопрос "чем?" Если подтвердится, что _вся_ память основана на подобном механизме (структурно-статическом), это даст сильный толчок в исследованиях "как?" То, что человеческая память ассоциативна, известно давно, но необязательно это связано с определенной реализацией "базы". На одной элементной базе можно строить совершенно разные логические схемы.
      Ответить
    • Roman1971 > feb7 | 04.12.2009 | 19:35 Ответить
      Цитата:"Меня это просто потрясло тогда."
      Вполне очевидно, что это имеет отношение вот к этому:
      "http://ru.wikipedia.org/wiki/Перцептрон"
      :)
      Ответить
      • feb7 > Roman1971 | 05.12.2009 | 03:09 Ответить
        Если быть точным, то совсем не очевидно. Перцептрон, как самообучаемая машина, может иметь другие принципы образования связей между входным сигналом и выходным. Кроме того, исследования показали (давно читал, не могу сослаться на источник, но если захотите проверить - это так) что перцептрон с течением времени "забывает" образовавшуюся связь между сигналами, и его приходится учить заново.

        Таким образом, перцептрон никак не обьяснит, почему я столько лет спустя вспомнил факт, о наличии которого в своей памяти даже не подозревал. Вероятно, тут действуют другие механизмы.
        Ответить
        • Roman1971 > feb7 | 05.12.2009 | 14:00 Ответить
          Цитата: "Перцептрон, как самообучаемая машина, может иметь другие принципы образования связей между входным сигналом и выходным."
          Формулируйте точнее, более правдоподобным выглядело бы такое утверждение: "Мозг, как самообучаемая ситема, может иметь другие принципы образования связей между входным сигналом и выходным, так как мы об этом процессе знаем ещё недостаточно много."
          С Перцептроном как раз всё ясно, его принципы таковы, какие заложили проектировщики. :)
          Теперь мозг. Скорее всего мозг устроен именно так как Перцептрон по архитектуре, так как такое устройство достаточно простое, даже примитивное, легко изменяется под давлением естественного отбора. Как устанавливают контакты дендриты и аксоны, а также их сохраняют, показано в данном исследовании. Единственно, что нам неизвестно каким образом происходит изменение веса сигнала поступившего с конкретного дендрита, но это не принципиально, важно что если таковой процесс происходит, то наше представление о мозге, как Перцептроне, только получит лишнее подтверждение.
          Цитата: "Кроме того, исследования показали (давно читал, не могу сослаться на источник, но если захотите проверить - это так) что перцептрон с течением времени "забывает" образовавшуюся связь между сигналами, и его приходится учить заново."
          Если имелся ввиду физический процесс, например потеря связи с дендрита с аксоном, то на него уже дан ответ: "Но есть и третья группа шипиков (около 0,8% от общего числа), которая сохраняется на всю жизнь." Именно в этих 0,8% и сохранилась память запахе и его связи с вашим лечением в детстве.
          Забыть можно также, если бы вы регулярно сталкивались с похожим или точно таким же запахом и это сопровождалось другими событиями в жизни. В этом случае, логический вес сигналов от новых связей превысил бы вес от старых связей и вы не смогли бы всё вспомнить так быстро и хорошо или даже не смогли вообще ничего вспомнить связанного с детством. Именно такой процесс и описан вами: "перцептрон с течением времени "забывает" образовавшуюся связь". Но это совершенно нормальное свойство Перцептрона, а не чего-либо ещё, и реализуется оно только в определённых обстоятельствах.
          Кроме того, впервые получаемую информацию мозг фиксирует надёжней и эффективней, чем небольшие отличия в повторяющейся информации. Этот процесс носит название "импринтинга", но это никак не противоречит принципам построения Перцептрона, а только дополняет и улучшает его свойства с помощью каких-либо биологических и молекулярных механизмов.
          "http://www.membrana.ru/lenta/?8817"
          Так что Ваш случай является классической иллюстрацией к уже имеющимся в науке знаниям о принципах функционирования головного мозга, что не исключает конечно, новых открытий.
          Ответить
    • dims > feb7 | 08.12.2009 | 23:13 Ответить
      Это просто означает, что память, пока она не "сработала", никак себя не проявляет в сознании. Вряд ли это говорит о том, на каком механизме она основана.
      Ответить
  • PavelS  | 04.12.2009 | 23:49 Ответить
    Тут очень уместен вопрос, что такое хорошая и что такое плохая память. С одной стороны, хорошая память - это долговременное запоминание, а с другой - способность к обучению. Не вредит ли долговременная хорошая память способности обучаться? Нет ли нужды стимулировать забывание чтобы избавляться от груза прошлого, чтобы легче запоминать новое? Интересно было бы исследовать влияние психотропных реактивов на память и обучаемость.
    Ответить
    • feb7 > PavelS | 05.12.2009 | 03:29 Ответить
      > Интересно было бы исследовать влияние психотропных реактивов на память и обучаемость.
      Неужели? Хотите быть "подопытной мышью" или ищите добровольцев?

      Такие исследования проводились и неоднократно. В качестве примера могу привести скандал, разразившийся в США, когда выяснилось, что некое уважаемое ведомство испытывало ЛСД на госслужащих, даже не спросив их согласия (ссылаясь на "чистоту эксперимента"). Все последствия такого испытания, естественно, впрямую влияли на карьеру и дальнейшую жизнь "испытуемых", сломав им судьбу.

      Надеюсь, Вы пошутили, но даже если и так, то шутка весьма грязная. Если же это была НЕ шутка....то у меня слов не остается, одни буквы....
      Ответить
      • PavelS > feb7 | 06.12.2009 | 18:13 Ответить
        1. Это не шутка.
        2. Исследования надо бы проводить на животных.
        3. Вы знаете что такое негрустин и мемория, которые реаламируют по телевизору? Да по сути одно и то же. Психотропный антидепрессант на основе зверобоя. Антидепрессанты являются стимуляторами нервной системы, немного улучшая память, а главное подавляют отрицательные эмоции если что-то вспомнить не удаётся (что субъективно воспринимается как хорошая память). И это применяется повсеместно уже теперь!!!!
        4. к психотропным веществам я отношу и красное вино в умеренных количествах
        Ответить
        • feb7 > PavelS | 07.12.2009 | 03:54 Ответить
          Конечно-конечно. Пусть лабораторные мышки будут счастливы, хорошо учатся, слушаются родителей и при этом не болеют циррозом печени.

          Что-то я сомневаюсь в бескорыстии фармацевтов и производителей биологически активных добавок. То, что рекламируют по телевизору, тем более покупать нельзя, поскольку в лучшем случае это безобидный мел, а в худшем.......даже говорить страшно. Поэтому давайте не будем путать науку и алчность дельцов от фармацевтики. Пример, который Вы привели - компиляция божьего дара и яичницы.

          Я теперь красное вино пить не буду. Психотропное вещество, оказывается. Ну надо же, надо завязывать, а то еще психотропом станешь....
          Ответить
          • PavelS > feb7 | 07.12.2009 | 15:09 Ответить
            Так или иначе, есть довольно много веществ, влияющих на настроение и работу ЦНС, и которые продаются легально: алкоголь, валерьянка... Не говоря уж про всякие абсентеры. Это УЖЕ ЕСТЬ. И их УЖЕ употребляют люди. И если есть объективно вредные, то может есть и что-то полезное. Ноотропины тоже кажись продаются без рецепта. Тут есть что изучать.

            Ваша же позиция ИМХО консервативна и ненаучна.
            Ответить
            • feb7 > PavelS | 07.12.2009 | 20:51 Ответить
              Ну, так начинайте открытую пропаганду наркоты. Вас послушать - это будет прогрессивно и научно.

              Хоть бы не позорились, выдавая желаемое за действительное. Приклеив такой ярлык "консервативной и ненаучной позиции", вы даже не удосужились ее обосновать, что не делает чести Вашей логике и интелекту. А заодно и образованности. Я уже указал Вам, что такие опыты проводились, но Вы гнете свою линию. Меня Вы все равно не переубедите, тем более применяя такие дешевые аргументы, как налепление ярлыков.

              Давайте, чтобы Вам понятнее стало, я налеплю на Вас ярлык "наркоман, распространитель наркотиков, деградировавшая личность, асоциальный тип и т.д", даже не дав себе труда доказать это юридически. Как Вы себя чувствовать будете? М?
              Ответить
          • ijin > feb7 | 02.02.2010 | 23:11 Ответить
            feb7,
            Во-первых, по твоему, психотропные вещества = наркотики = "те и только те вещества, которые внесены в реестр накротиков"? То есть, если поп благословил продажу табака и водки, то это хорошо, а если политики внесли новое вещество в список, то это плохо?
            Во-вторых, опыты проводить надо. Причем, на животных можно вести полноценные исследования, а на людях необходимо вести наблюдения над теми, кто уже употребляет наркотики, табак и алкоголь. (Раз мы им помочь не можем, то нужно хотя бы исследовать). Впрочем, это уже и так делается.
            В-третьих, главной проблемой с LSD опытами было нарушение условия добровольности и информированности. Т.е. обманом заставить человека употребить то, что он не хочет употреблять - западло. Если же человек согласен (т.е. был проинформирован о возможных последствиях и согласился), то это - нормально. Представь, что кому-то в США во времена сухого закона предложили выпить стакан красного вина(страшный нелегальный наркотик) для исследования чего-то там и он согласился. Как ты к этому отнесешься? Аморально ли это?

            Впрочем, исследования на животных все равно идут, а наука - развается.
            ЗЫ. Фарма компании жадноваты. Но ведь и разработка лекарства занимает лет десять и из 100 мелких компаний выживит только 2-3. Так что их жадность понятна. Вообще, здоровье - слишком важный ресурс, чтобы его контролировала "невидимая рука рынка". ИМХО, вопросами здоровья должно заниматься государство, а не транснациональные корпорации, но это не светит в эпоху победившего капитализма.
            Ответить
    • Roman1971 > PavelS | 05.12.2009 | 14:05 Ответить
      Цитата: "Не вредит ли долговременная хорошая память способности обучаться?"
      В ваших рассуждениях есть зерно истины, подробности здесь: "http://www.membrana.ru/lenta/?7109".
      Ответить
  • lesnik  | 05.12.2009 | 07:41 Ответить
    Насчёт считывания из мозга. В этом случае придётся расшифровывать рисунок отростков на дендритах отдельно для каждого человека (если это возможно) или данный рисунок одинаков у разных людей?

    Ещё интересно. Отростки поялвяются в случайном месте? Ведь может получится так, что новый отросток будет наоборот препятствовать получению полезного навыка? Тогда он что каким-то образом уничтожается?
    Ответить
    • a_b > lesnik | 05.12.2009 | 18:04 Ответить
      >Отростки поялвяются в случайном месте?
      Вот уж вряд ли. Наверняка, в аксонах возбужденных нейронов цепочки (естесственно, ИМХО). Интереснее другое - скорость образования "шипиков" и скорость запоминания, они сопоставимы?
      Ответить
  • dasem  | 05.12.2009 | 09:45 Ответить
    "Сложная математическая обработка результатов наблюдений за сравнительно небольшим числом дендритов позволила сделать ряд дополнительных выводов."- Звучит как: "В следующем году продолжительность жизни в нашей стране будет увеличена при помощи новейших средств математической статистики"
    Ответить
  • petrenko  | 05.12.2009 | 12:01 Ответить
    Интересно, как долго после смести животного остаются эти связи между нейронами? И можно ли их сохранить при глубокой заморозке мозга?
    Ответить
  • Vl  | 06.12.2009 | 09:17 Ответить
    Дендритные шипики - это каналы, по которым передаются какие-то сигналы, или они просто являются аналогом цифр 1 и 0 в двоичной системе счисления (наличие шипика - 1, отсутствие его - 0)?
    Ответить
  • Vl  | 06.12.2009 | 09:18 Ответить
    Дендритные шипики - это каналы, по которым передаются какие-то сигналы, или они просто являются аналогом цифр 1 и 0 в двоичной системе счисления (наличие шипика - 1, отсутствие его - 0)?
    Ответить
    • Ильин > Vl | 07.12.2009 | 09:39 Ответить
      Самое интересное было бы узнать молекулярный механизм формирования шипов.
      Какие гены активируются или включаются и под действием чего, какие белки создаются. Мне кажется это могло бы прояснить общие принципы влияния внешней среды на изменения генотипа. Ведь этот механизм до сих пор точно никем так и не установлен. Хотелось бы узнать мнение А. Маркова на этот счет.
      Ответить
      • Y.P. > Ильин | 07.12.2009 | 12:05 Ответить
        см. ту же ссылку
        Ответить
    • Y.P. > Vl | 07.12.2009 | 12:03 Ответить
      И то, и другое. Вернее, аналогом тут будет "синапс" (хотя, нужно ещё посмотреть, что тут чего "аналог"). Гляньте сылку на другую статью этого же сайта в самом начале данной статьи, касающуюся механизма связей (синапсов) между различными нейронами: там найдёте аналог "вкл/выкл" ("сигнал" через синапс проходит/не проходит), что прямо зависит от, условно говоря, "мощности сигнала", которая для этого самого "вкл" должна превысить определённый порог.
      Ответить
    • ptqa > Vl | 27.02.2011 | 18:04 Ответить
      >(наличие шипика - 1, отсутствие его - 0)

      это явно не так, эффекты от маленького шипика отличаются от эффектов большого шипика, поэтому шипик - не "байт" человеческой памяти
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»