Чтобы кратковременная память превратилась в долговременную, в мозге должны образоваться новые межнейронные контакты, а формирование таких контактов лучше всего происходит во время сонной активности нервных клеток.
Превращение кратковременной памяти в долговременную называют консолидацией памяти, и нейробиологи усердно пытаются выяснить, как и почему это происходит. Довольно давно удалось выяснить, что консолидация памяти очень хорошо идёт во время сна. То есть, чтобы запомнить прочитанный перед экзаменом учебник, нужно поспать, тогда информация, что называется, уляжется в голове, то есть перейдёт в долговременное хранилище. Доказательств связи между сном и памятью довольно много. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что снотворные препараты не только нормализуют сон, но и улучшают память. А их коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогли описать информационные процессы в мозге, которые связаны с консолидацией памяти во время сна.
Дендритные шипики (окрашены зелёным) на поверхности нейронных отростков. (Фото skdevitt / Flickr.com.)
Дендритные шипики (синие точки) на нейроне. (Фото The Journal of Cell Biology / Flickr.com.)
Чтобы узнать, что же происходит с нейронами во время консолидации памяти, Вэнь-Бяо Гань (Wen-Biao Gan) и его сотрудники из Нью-Йоркского университета создали генетически модифицированную мышь, у которой в нейронах моторной коры синтезировался флуоресцентный белок. С его помощью можно было наблюдать за изменениями в нервных клетках, например, где и когда образуются дендритные шипики, особые выросты на дендритных отростках нервных клеток. Появление шипика говорит о том, что в этом месте нейрон готов создать контакт с другим нейроном, иными словами, шипик предшествует синапсу. Благодаря синапсам образуются нейронные цепи, которые нужны для запоминания информации. Когда мы, например, учимся ездить на велосипеде, у нас в мозге складываются новые нервные цепи, которые возникли в ответ на необходимость по-новому координировать мышечные усилия. Потом, когда мы снова садимся на велосипед, эти нервные цепи снова включаются – если, конечно, они по какой-то причине не распались, если синапсы между нейронами не исчезли. Возвращаясь к дендритным шипикам, можно сказать, что они свидетельствуют о реакции нейрона на новую информацию и о готовности её запомнить. То, что такой важный процесс происходит именно во сне, неудивительно: ведь давно уже все знают, что сон – лишь иная форма активности мозга. Считается, что специфические нейронные импульсы, «сонные» волны мозга связаны в том числе и с тем, что наша нервная система занимается сортировкой полученной днём информации, пока внешние сигналы не мешают. Но вот как при этом ведут себя нейроны, какие клеточные и молекулярные механизмы здесь задействованы, биологам долгое время выяснить не получалось.
Собственно, мышам в эксперименте устроили тоже что-то вроде велосипеда: животные должны были сохранять равновесие на вертящейся палке, которая вращалась всё быстрее и быстрее. Со временем мыши запоминали, что нужно делать, и уже не падали с неё. При этом у нейронов моторной коры появлялись те самые дендритные выросты – клетки понимали, что новый стимул важен для организма и готовились сформировать новые цепи. Тогда исследователи изменили условия опыта: мышей тренировали на поворачивающейся палке один час, но потом одних животных отправляли спать на семь часов, а другие должны были такое же время бодрствовать. Оказалось, что у тех мышей, которым разрешили поспать, дендритные шипики росли активнее. Иными словами, сон помогал нервным клеткам настроиться на запоминание новой информации.
Более того, характер появления дендритных выростов зависел от того, какое именно упражнение нужно было выполнить. Например, если мышь должна была идти по вращающейся палке в одну сторону, то шипики возникали на одних дендритах, а если нужно было идти в другую сторону, то шипики появлялись на других дендритах. То есть клеточная морфология нейронных отростков зависела от того, что за информацию нужно было обработать.
Наконец, нейробиологам удалось показать, что клетки моторной коры, от которых зависело выполнение упражнения, активировались во время медленно-волновой фазы сна. Такая активация во сне была важна для формирования пресловутых шипиков: если «сонную» активность клеток подавляли, то шипики не формировались. Это было похоже на то, как если бы мозг снова прокручивал для себя то, что он должен был недавно выполнять во время бодрствования – прокручивал, чтобы лучше запомнить.
В итоге получилась такая схема: нейроны во время бодрствования получают какой-то стимул или выполняют какую-то процедуру, затем во время сна эти клетки снова активируются, и такая повторная активация стимулирует клеточные перестройки, способствующие долговременному запоминанию стимула. То, что всё именно так и происходит, нейробиологи предполагали давно, однако сейчас удалось получить именно экспериментальное подтверждение, и не на каких-нибудь дрозофилах, а на мозге млекопитающих. Хотя, конечно, теперь учёным нужно выяснять, какие молекулярные процессы тут задействованы, что за гены и белки управляют увеличением дендритных шипиков во время сна, какие сигнальные пути тут работают и т. д.
К слову, о дрозофилах: несколько лет назад исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Висконсина в Мадисоне ставили похожие эксперименты с плодовыми мушками, и тогда результаты говорили о том же – что сон необходим для консолидации памяти. Однако при этом нейробиологи наблюдали очистку мозга дрозофил от синапсов, то есть происходило что-то вроде редакции нервных контуров, очистки нейронов от ненужных связей, которые отнимали бы ресурсы от нужных контактов. Скорее всего, такое устранение ненужных синапсов не есть специфический процесс, свойственный одним лишь насекомым (или членистоногим, или беспозвоночным), и в мозге высших животных в момент «сонного» закрепления памяти наряду с формированием новых синапсов происходит и разрыв старых – осталось только увидеть это в эксперименте.