Новогодние воспоминания

Кто-то под Новый год с друзьями ходит в баню, а Лондонский Фонд медицинских исследований проводит конкурс праздничных изображений. В прошлом году мы уже писали о победителе 2022 года (см. картинку дня Вирусные снежинки). Канун Нового года — повод вспомнить о том, как прошел год, и поговорить об изображении, занявшем почетное второе место в 2024 году. На созданной учеными из Эксетерского университета открытке мы видим срезы гиппокампа мыши — участка мозга, играющего важную роль в формировании и организации воспоминаний. Именно эта структура помогает нам удерживать в памяти важные моменты уходящего года. Чтобы получить такой снимок, ученые применили флуоресцентные красители, которые подсвечивают определенные белки в ткани мозга. Здесь отчетливо видны слои и изогнутая форма гиппокампа, напомнившая ученым ветвь новогодней ели. Они размножили и скомпоновали эту «ветвь», создав праздничное дерево.

Гиппокамп расположен глубоко в височной доле мозга. На протяжении истории ученые видели в его изогнутой форме самые разные образы. Считается, что первым описал гиппокамп итальянский анатом XVI века Юлий Цезарь Аранци. Он сравнил эту структуру с морским коньком (Hippocampus) и шелкопрядом (Bombyx). Но каким образом Аранци препарировал мозг, с какого ракурса и что именно он увидел, доподлинно не известно: возможно, он наблюдал зубчатую извилину, которая вместе с гиппокампом и субикулюмом составляет гиппокампальную формацию. Другие анатомы находили сходство гиппокампа с рогом и называли его «рогом барана» (cornu arietis) и «рогом Аммона» (cornu Ammonis). Последнее название связано с египетским богом Амоном, которого традиционно изображали с бараньими рогами. Его имя по-прежнему живет в названиях областей гиппокампа (см. Hippocampal subfields) — CA1, CA2 и CA3, где аббревиатура CA напрямую отсылает к cornu Ammonis. И хотя на макроскопическом уровне гиппокамп, рассматриваемый изолированно, не очень похож на морского конька (но такое сходство становится заметным при совместном рассмотрении гиппокампа и структур свода мозга), прижилось именно это название.

Слева — сравнение гиппокампа и морского конька; гиппокамп выделен желтым цветом. Справа — гиппокамп и свод мозга, которые в совокупности больше напоминают морского конька, чем гиппокамп сам по себе: HP — гиппокамп, Fmb — пучки волокон, которые затем образуют ножки свода (CrFx), BFx — тело свода, CoFx — столб свода, Mb — сосцевидное тело, Th — таламус. Изображения из статьи J. Duque-Colorado et al., 2025. Hippocampus and cornu ammonis: mythonyms that prevail in Terminologia Anatomica, Terminologia Neuroanatomica, and Terminologia Histologica

Понимание того, почему именно эта изогнутая структура на сегодняшней открытке ассоциируется с памятью, во многом обязано клиническим наблюдениям середины XX века. До этого гиппокамп долгое время считали частью обонятельной системы. Становление современных представлений о нем как о ключевой области для памяти относится к 1957 году, когда нейропсихолог Бренда Милнер описала глубокое влияние двусторонней резекции части медиальной височной доли (в том числе фрагмента гиппокампальной формации), проведенной для облегчения эпилепсии у пациента, ставшего известным как Г.M. (или H.M. в английской версии). После операции частота приступов уменьшилась, но побочным эффектом стала неспособность формировать новые воспоминания, хотя события, произошедшие до операции, пациент помнил. Современная реконструкция показала, что у Г.М. после операции на самом деле сохранилась значительная часть гиппокампа.

Срезы правого (a) и левого (b) полушарий мозга Г.М. Оранжевый прямоугольник ограничивает часть неповрежденного гиппокампа (выделена зеленым). Изображение из статьи J. Annese et al., 2014. Postmortem examination of patient H.M.’s brain based on histological sectioning and digital 3D reconstruction

Тем не менее его случай приобрел большое значение, поскольку на момент операции неврологический субстрат памяти был неизвестен, а Г.М. предоставил первые убедительные доказательства вовлечения гиппокампальной формации в процессы формирования новых воспоминаний. Сегодня гиппокамп — это не только область, ответственная за пространственные представления и навигацию, но и ключевая структура для консолидации памяти (см. Memory consolidation), то есть превращения кратковременных воспоминаний в долговременные (см. Представление о пространстве является врожденным, «Элементы», 21.06.2010; Во время фазы медленного сна активно закрепляются новые знания, «Элементы», 21.03.2007; Мозг во сне «проигрывает» дневные события с семикратным ускорением, «Элементы», 19.11.2007; Найдены отделы мозга, отвечающие за ложные воспоминания, 14.07.2011).

Хотя на заглавном изображении мы видим гиппокамп мыши, функциональные и анатомические исследования показали, что гиппокамп (и гиппокампальная формация) в целом схож у млекопитающих, хотя его пространственное положение в головном мозге менялось в процессе эволюции. То есть гиппокамп у разных видов устроен похожим образом, но в мозге он лежит по-разному, словно один и тот же объект развернули под другим углом. У мыши эта структура ориентирована почти вертикально: один конец ближе к верхней части мозга, другой — к нижней. А у человека и других приматов лежит почти горизонтально: один конец ближе к затылку, другой — ближе ко лбу. В ходе эволюции внутренние связи, то есть обработка информации внутри этой области, в значительной степени сохраняются. В то же время внешние связи гиппокампальной формации усложняются: у приматов, и особенно у человека, она оказывается более тесно связана с неокортексом и другими структурами переднего мозга.

Трехмерные реконструкции гиппокампа мыши (слева) и человека, показывающие относительное расположение зубчатой извилины и области гиппокампа CA3 (DG/CA3, желтый), области гиппокампа CA1 (красный) и субикулюма (SUB, голубой). Изображения из статьи M. S. Bienkowski et al., 2021. Homologous laminar organization of the mouse and human subiculum

Собственно гиппокамп, состоящий из полей CA1, CA2 и CA3, а также другие структуры гиппокампальной формации присутствуют у человека и у других млекопитающих, включая мышей. На гистологическом уровне гиппокамп мыши и человека выглядят довольно похоже. Он состоит из слоев, которые повторяются у человека и мыши, несмотря на различие в ориентации и размерах. В полях CA1, CA2 и CA3 выделяют повторяющийся набор слоев: stratum oriens с базальными дендритами пирамидных клеток и интернейронами, stratum pyramidale с плотным слоем тел пирамидных нейронов, stratum radiatum с апикальными дендритами и синапсами, а также расположенный выше stratum lacunosum-moleculare, где апикальные дендриты контактируют со входами от энторинальной коры. Зубчатая извилина, относящаяся к гиппокампальной формации, имеет характерную V-образную форму и слоистую организацию, отличающуюся от гиппокампа. Ее основной клеточный слой, stratum granulosum, почти полностью состоит из одного класса нейронов — гранулярных клеток. У мыши отдельные слои гиппокампа, как правило, различимы на гистологических срезах четче, чем у человека.

Сравнение строения гиппокампа человека и мыши под микроскопом. На рисунках A и B показаны срезы мозга человека и мыши, окрашенные по Нисслю, при одинаковом увеличении — хорошо видно, насколько различаются размеры мозга. На C и D приведены увеличенные фрагменты этих срезов, соответствующие области CA1 гиппокампа. На D обозначены слои гиппокампа: so — stratum oriens; py — stratum pyramidale; sr — stratum radiatum; slm — stratum lacunosum-moleculare. DG — зубчатая извилина. Иллюстрация из статьи R. Benavides-Piccione et al., 2020. Differential structure of hippocampal CA1 pyramidal neurons in the human and mouse

При общем сходстве архитектуры между гиппокампом человека и мыши, конечно, существуют и различия. Одно из наиболее заметных — организация слоя пирамидных клеток у человека: он значительно менее плотно упакован, чем у мыши, то есть тела нейронов расположены реже, а сам слой шире, чем у мыши (это хорошо видно при одинаковом увеличении на рисунке выше). В результате у человека базальные (см. Basal dendrite) и апикальные дендриты (см. Apical dendrite) пирамидных клеток частично располагаются в пределах одного и того же слоя — stratum pyramidale, тогда как у мыши базальные дендриты располагаются в основном в слое oriens, а апикальные — в слое radiatum. Различия между видами проявляются и на уровне отдельных нейронов — в их размере и архитектуре. Например, пирамидные нейроны гиппокампа у человека не только крупнее, чем у мыши, но и устроены иначе: человеческие клетки не являются просто «растянутой» версией мышиных, а обладают собственными структурными особенностями — более сложными паттернами ветвления в апикальных и базальных дендритах.

Пирамидные нейроны области CA1 гиппокампа человека (A) и мыши (B), реконструированные в 3D и показанные в одном масштабе. Черным цветом обозначен главный апикальный дендрит, синим — его боковые ветви, красным — базальные дендриты, зеленым — аксон (если он был восстановлен). Представленные клетки иллюстрируют разные типы ветвления главного апикального дендрита; указанные проценты показывают, как часто такие типы встречаются в выборке. C — схема основных вариантов ветвления: a — без разветвлений, b — одно, c — два, d — три разветвления в пределах первых 200 мкм от тела клетки. Иллюстрация из статьи R. Benavides-Piccione et al., 2020. Differential structure of hippocampal CA1 pyramidal neurons in the human and mouse

На заглавном изображении мы видим четкую дугу гранулярных клеток зубчатой извилины, или stratum granulosum, а также компактный слой пирамидных клеток гиппокампа — stratum pyramidale, представленные в несколько непривычной ориентации, так как гиппокамп развернут на 180 градусов по сравнению с традиционными изображениями. Эти структуры выделены фиолетовым цветом, образуя четкие, плотные полосы.

Фронтальный срез мозга мыши, окрашенный гематоксилином и LFB. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Чтобы сделать разные части нейронов более заметными, используют флуоресценцию. Она заключается в том, что некоторые молекулы, поглощая свет, излучают его снова, но уже на другой длине волны, то есть буквально начинают светиться. Увидеть это свечение можно с помощью специального микроскопа, который умеет светить «правильным» светом, и флуоресцентных красителей — специальных молекул-меток. Они прикрепляются к определенным компонентам клетки, например к белкам в теле нейрона, и начинают светиться, когда на них направляют свет нужного цвета (см. статью Флуоресцентные репортеры и их репортажи).

В данном случае в качестве такой мишени мог выступать, например, NeuN — белок, широко используемый в качестве биомаркера нейронов. Сам по себе NeuN не светится, но к нему можно подобрать молекулу-«посредника», специальное антитело, которое узнает именно этот белок и прочно с ним связывается. К антителу, в свою очередь, может быть присоединен флуоресцентный краситель. При освещении такого образца под флуоресцентным микроскопом можно выявлять слои тел нейронов, такие как гранулярный слой зубчатой извилины и пирамидный слой гиппокампа. Хотя эти слои хорошо различимы даже на классических гистологических срезах, при флуоресцентной микроскопии они выглядят как яркие линии. Зеленые участки заглавного изображения соответствуют слоям гиппокампа, где почти нет тел нейронов, но сосредоточено огромное количество их отростков — дендритов и аксонов, а также мест контакта между клетками — синапсов. В качестве мишени в этом случае могли выступать белки, связанные с дендритами, например MAP2 — белок, ассоциированный с микротрубочками дендритов. Как и NeuN, он сам по себе не флуоресцирует, но может быть обнаружен с помощью специфических антител, несущих флуоресцентную метку. Таким образом, комбинация меток NeuN и MAP2 могла превратить аккуратно расставленные срезы гиппокампа в «дендритную» новогоднюю ёлку со светящейся фиолетовым цветом гирляндой из нейронов (какие именно белки визуализированы на открытке, авторы не указали). А для завершения композиции ученые добавили художественные элементы — декоративное основание и звезду на вершине.

Гиппокамп мыши, окрашенный по MAP2 (дендриты, зеленый) и NeuN (тела нейронов, красный). Изображение с сайта thermofisher.com

При этом ель «выросла» из гиппокампа мыши не случайно. Дисфункция гиппокампа играет важную роль в развитии ряда неврологических заболеваний, включая эпилепсию, депрессию, шизофрению, болезнь Альцгеймера и черепно-мозговую травму (см. Найдены причины потери социальной памяти при болезни Альцгеймера, «Элементы», 12.12.2025). При шизофрении, которую исследуют авторы заглавного изображения, в гиппокампе часто обнаруживаются изменения. Исследователи используют мышиные модели, чтобы понять, как гены, ассоциированные с шизофренией, влияют на работу гиппокампа. То есть мыши являются так называемыми модельными организмами для исследования физиологии и различных заболеваний человека, в данном случае шизофрении (тем более что гиппокамп человека и мыши удивительно похожи, несмотря на различия). Модельные организмы используются, когда эксперименты на людях были бы нецелесообразны или неэтичны. А мыши (Mus musculus) и люди обладают высоким уровнем физиологического и генетического сходства: большинство человеческих генов имеют прямые аналоги в геноме мыши. При этом мыши быстро размножаются и хорошо поддаются генетическим манипуляциям, что делает их удобной исследовательской моделью. Геном мыши можно целенаправленно изменять: например, удалять или «выключать» отдельные гены, чтобы понять, с какими функциями они связаны и как нарушения в работе сходных генов могут способствовать развитию заболеваний у человека. Флуоресцентные красители в этом смысле становятся своего рода языком, на котором гиппокамп «рассказывает» о последствиях таких генетических нарушений, делая эти изменения наглядными.

Примеры окраски NeuN (зеленое свечение) в гиппокампе контрольных (Control) и модельных для шизофрении мышей (cKO). Слева — у мышей с «выключенным» геном Zfp804a уменьшается число NeuN-позитивных нейронов. Длина масштабного отрезка — 200 мкм. Изображение из статьи Q. Zhang et al., 2024. Schizophrenia-Like Deficits and Impaired Glutamate/Gamma-aminobutyric acid Homeostasis in Zfp804a Conditional Knockout Mice. Справа — у мышей с «выключенным» геном Gabrb2 гиппокамп выглядит структурно сохранным при окраске на NeuN. Длина масштабного отрезка — 300 мкм. Изображение из статьи R. K. Yeung et al., 2018. Gabrb2-knockout mice displayed schizophrenia-like and comorbid phenotypes with interneuron–astrocyte–microglia dysregulation

Неудивительно, что гиппокамп с его слоистым строением и характерной изогнутой формой издавна будоражит воображение. Кто-то видит в нем морского конька, кто-то — рог, а кто-то — ветвь новогодней ели, как авторы заглавного изображения. Последним в этом помогла флуоресцентная микроскопия, которая иногда может быть не только научным инструментом, но и способом создавать целые произведения искусства. Так, австралийский нейробиолог Шон Китинг (Sean Keating) увидел в гиппокампе фрагмент неба из «Звездной ночи» Винсента ван Гога. В его работе флуоресцентно-меченые нейроны синего и белого цвета формируют изображение ночного неба, в центре которого можно различить узнаваемую структуру гиппокампа.

Нейробиологическая версия «Звездной ночи» Винсента ван Гога. В центре различима структура гиппокампа (их тут два) и зубчатой извилины (их три — две голубые и одна белая), а светящиеся золотые звезды — это астроциты. Фото © Sean Keating с сайта qbi.uq.edu.au

Желаем и нашим читателям в новом году чаще замечать необычное в привычном и консолидировать больше светлых воспоминаний!

Фото © Dr Nicholas Clifton, Kamile Tamusauskaite с сайта medicalresearchfoundation.org.uk.

Екатерина Ларионова