11. Введение в нейронауку II

Память и пластичность

Меня зовут Патрик Хаус. Я аспирант-нейробиолог, работаю с Робертом в его лаборатории на первом курсе. Сегодня мы поговорим о памяти и пластичности.

Два дня назад, в среду, вы сидели в этой комнате и узнали основы нейробиологии: как работает нейрон, что такое пресинаптическая и постсинаптическая клетка, упрощенная версия коммуникации и передачи информации. Между тем и сейчас произошло кое-что интересное. Теперь вы сидите в той же комнате, и что-то в вас знает о нейробиологии. Вы слушали лекцию, переспали с этой информацией, вернулись и усвоили новые факты, интегрировали их в свою идентичность. Эта лекция о том, как вы это делаете.

Разные грани памяти

Чтобы понять, что такое память, нужно подумать о множестве разных способов, которыми она интересна, о разных спектрах и степенях памяти.

Почему одни воспоминания остаются с нами на всю жизнь, а другие мимолетны и исчезают за секунду? Почему, когда кто-то рассказывает вам историю перед сном, вы не можете вспомнить ее, проснувшись, и не помните свои сны? Но если тот же человек расскажет ту же историю в машине, и вы попадете в аварию, это воспоминание становится значимым. Вы можете помнить его годами, ассоциировать историю или голос человека с травматическим событием, и у вас может развиться посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР).

Если механизм одинаков для мимолетных и долговременных воспоминаний, то вопрос в том, как среда и контекст влияют на их формирование. Чтобы это понять, нужно разобраться в механизмах памяти и том, как они мотивированы контекстом.

Стивен Уилтшир и индивидуальные различия

Я хочу представить вам Стивена Уилтшира. Он архитектор в душе, аутичный савант, нем с трех лет. У него есть удивительная способность. Я проверю вас: если у вас есть склонность к рисованию или бумага для набросков, попробуйте за 60 секунд нарисовать по памяти весь Рим.

Стивен Уилтшир совершает вертолетные прогулки над Токио, Нью-Йорком, Римом и Лондоном. Через 20 минут он может воссоздать каждое здание, каждую колонну, каждое окно в правильных пропорциях и под правильным углом.

Как нейробиологи, мы задаем два вопроса:

1. Что изменилось в мозге Стивена до и после вертолетной прогулки?
2. Почему он может это делать, а мы нет?

Если бы мы могли ответить на эти вопросы, мы бы многое узнали о памяти.

Синапс как основа памяти

Вернемся к основам работы нейрона. Память и обучение происходят в синапсе — в пространстве между пре- и постсинаптической клеткой.

Около 100 лет назад ученые считали, что наименьшая единица мозга — нейрон, и память — это формирование новых нейронов. Когда вы узнаете новый факт, вы выращиваете новый нейрон. Позже открыли синапс, и он стал наименьшей единицей информации. Тогда появилась теория, что память — это формирование новых синапсов.

Сейчас мы знаем, что это не совсем правильно. Новые синапсы и новые нейроны не формируются постоянно во взрослом мозге. Но идея в том, что память и хранение обучения происходят в синапсе и включают модуляцию и изменение синапсов. Мы понимаем это на молекулярном уровне.

Догма, с которой мы начнем: память — это синаптическая пластичность. Пространство между пре- и постсинаптическим нейроном меняется, становится сильнее, укрепляется. Если активировать пресинаптический нейрон, со временем при достаточной активации в определенном временном окне вы получите усиленный ответ в постсинаптической клетке. Это общий механизм долговременной потенциации (LTP).

Хеббовская пластичность и глутамат

У нас есть синапс, выделяется возбуждающий нейромедиатор. В постсинаптической клетке возникает ток, ионы, реакция на каждую порцию нейромедиатора. Это упрощенная версия хеббовской пластичности.

Дональд Хебб придумал идею: «Нейроны, которые активируются вместе, связываются вместе». Если пресинаптическая клетка высвобождает возбуждающий нейромедиатор, вы получаете ответ в постсинаптической клетке.

Этот возбуждающий нейромедиатор — глутамат. Если вы собираетесь запомнить один нейромедиатор для этого курса, запомните глутамат. Информация передается в мозге через активацию, и для этого нужны возбуждающие нейромедиаторы. Повторение — то, что движет памятью.

Механизмы LTP

Чтобы усилить синапс и получить пластичность, можно:

• Изменить количество высвобождаемого возбуждающего нейромедиатора из пресинаптического нейрона.
• Заставить рецептор на постсинаптической клетке сильнее реагировать на один квант нейромедиатора.
• Увеличить количество постсинаптических рецепторов.

Все это механизмы, с помощью которых можно потенцировать синапс. LTP часто очень тонкий: вы получаете немного больший ответ при том же количестве входа.

Но как пресинаптический нейрон узнает, что нужно индуцировать LTP? Нужна коммуникация между клетками. Существует ретроградный нейромедиатор, который отправляется от постсинаптической клетки обратно. Пример — оксид азота, газ, который диффундирует через синапс и модулирует высвобождение нейромедиатора из пресинаптической клетки.

Гиппокамп — место памяти и LTP

Где происходит LTP в мозге? Первая нейроанатомическая структура, которую нужно знать, — гиппокамп.

Аутичные саванты, запоминающие 10 000 цифр числа пи, совершают пространственные прогулки по своей памяти. Они помещают цифры на объекты в городе своего детства: почтовый ящик — первая цифра, дверь соседа — другая, окно — тройка. Они не запоминают скучный лист с числами, а реконструируют пространственные воспоминания.

Визуальная мнемоника для гиппокампа:

• Гиппо — лошадь. Представьте ипподром в Риме, круглую арену для гонок на колесницах.
• Представьте Майкла Джордана и Ларри Берда, играющих в HORSE на ипподроме. Они запоминают и воспроизводят броски.
• Или представьте императора Калигулу, который назвал свою лошадь сенатором. Весь ипподром заполнен людьми, Калигула выводит лошадь в центр поля, лошадь сидит, скрестив ноги, и печатает ваши мемуары на пишущей машинке.

Так вы запомните, что гиппокамп — место формирования памяти.

Доказательства роли гиппокампа

Почему мы считаем, что гиппокамп — место LTP и формирования памяти?

1. Пациент HM: эпилептик, которому удалили гиппокампы. Он больше не мог формировать новые воспоминания.
2. Если записывать активность нейронов в гиппокампе во время задания на обучение, вы видите LTP.
3. Если фармакологически блокировать LTP, вы видите изменения в гиппокампе.

Все это указывает на то, что гиппокамп необходим для консолидации памяти.

LTP по всему мозгу

Существуют разные формы обучения и памяти: моторное обучение, эмоционально значимые события. Они кодируются не только в гиппокампе. LTP происходит по всему мозгу, в центрах эмоциональной регуляции. Разные типы памяти имеют разные методы хранения и извлечения.

Этот тип синаптической пластичности может пойти не так. При ПТСР вы получаете сильную LTP-потенциацию синапсов в центрах регуляции эмоций. Контекст приводит к воспоминаниям, которые не должны всплывать.

Нарушения LTP

Воспоминания ухудшаются, иногда намеренно, иногда непреднамеренно. Существуют механизмы для нарушения LTP:

• Гипогликемия: если вы голодны, инсулиновые каскады снижают LTP. Это не лучшее время для запоминания, лучше искать пищу.
• Гормоны стресса: в краткосрочной перспективе дают преимущество в памяти (например, при аварии). Но хронический стресс повреждает LTP и память.
• Этанол (алкоголь): напрямую нарушает LTP в гиппокампе. Поэтому вы можете не помнить, что делали прошлой ночью или кто читал вам историю перед сном.

От одного нейрона к сети

Мы знаем, что эмоционально значимые воспоминания длятся дольше, алкоголь влияет на память, трудно запоминать вещи перед сном. Можем ли мы понять физиологию, которая объясняет все это?

У нас есть два конца спектра: HM (не может формировать воспоминания) и Стивен Уилтшир (может воссоздать весь пейзаж за 20 минут). Большинство из нас находится где-то посередине.

Чтобы понять контекст воспоминаний, нужно расширить близорукий взгляд на упрощенную версию нейрона. Мозг очень сложен: 100 миллиардов нейронов, каждый соединяется с 10 000 других. Это не просто один нейрон, разговаривающий с другим. Это динамика многих взаимодействующих нейронов.

Шум и торможение

В индивидуальную передачу сигнала нужно ввести концепцию шума. Нейрон не статичен. Он постоянно в состоянии изменения: ток входит и выходит, ионы текут. Часто происходит случайная и спонтанная генерация потенциалов действия и тока.

Главная задача мозга — выяснить, что является сигналом, а что — шумом. На уровне одного нейрона шум может не иметь большого влияния. Но при 100 миллиардах нейронов шум приведет к статическому шуму, и вы не будете знать, что делать с миром.

Нейроны обладают способностью тормозить. Это один из важных способов отличить сигнал от шума.

• Временное заострение: нейрон может тормозить сам себя, чтобы сказать: «Я закончил свой сигнал, больше никакого спонтанного шума». Это подавляет случайные токи.
• Пространственное торможение: нейрон может посылать отростки и тормозить своих соседей, чтобы сказать: «Этот сигнал реален, игнорируй моих соседей, это действительно я». Это позволяет получить пространственное заострение.

Пример: боль и болевые ощущения

Существует простая сеть обратной связи — боль. Есть два типа нейронов: один передает быструю, острую боль, другой — медленную, тупую боль. Они переплетены в петле обратной связи.

Быстрая боль активирует нейроны, которые запускают медленную боль. Затем медленные болевые спайки возвращаются и тормозят первый тип острого спайка, чтобы он остановился. Если вас ужалил скорпион, вы хотите острую боль, чтобы обратить внимание. Но вам не нужна острая боль вечно. Латеральное торможение обеспечивает эти два типа передачи информации.