Чем сильнее шипован мозг, тем острее память

Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом

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.

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.

Читайте также:  Сильные опрелости у новорожденных (лечение)

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.

Читайте также:  Как выявить рак на ранней стадии — Новости о красоте и здоровье Череповца

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.

Чтобы запомнить новую информацию, нужно хорошо выспаться

Ученым из Нью-Йоркского университета и Пекинского университета удалось выяснить, почему информация лучше запоминается, если после обучения хорошо выспаться.

Оказывается, во время сна в префронтальной коре головного мозга начинают активно расти дендритные шипики – мембранные выросты, которые образуют новые межнейронные связи (синапсы). На образовании этих связей и основан процесс обучения и запоминания.

«Уже давно известно, что сон играет важную роль в обучении и запоминании. Если вы плохо спите, вы будете и плохо обучаться чему-то новому. Но что лежит в основе этого явления? В своем исследовании нам удалось показать, как сон способствует формированию новых связей между отростками нейронов, что связано с формированием долгосрочной памяти», — говорит ведущий автор исследования профессор Вэнь-Вяо Гань (Wen-Biao Gan).

В своем исследовании профессор Гань и его коллеги обучали генетически модифицированных мышей, у которых в проекционной зоне коры головного мозга были флуоресцирующие нейроны. Такие нейроны можно легко разглядеть под специальным лазерным сканирующим микроскопом. Это и позволяло ученым наблюдать за происходящими изменениями.

Мышей, которые участвовали в эксперименте, обучали балансировать на вращающейся с разной скоростью палочке.

«Это напоминает обучение катания на велосипеде. Когда, научившись кататься, этот навык уже невозможно потерять», — объясняет профессор Гань.

Убедившись в том, что дендритные шипики после обучения у мышей, действительно, дали ростки, ученые затем решили выяснить, как на образование новых связей между нейронами будет влиять сон.

Читайте также:  Цена ошибки неправильно подобранных очков

Для этого мышей разделили на группы: в одной группе находились животные, которых учились в течение одного часа, а потом в течение семи часов спали. Другая группа на протяжении семи часов бодрствовала.

Оказалось, что у мышей, которых лишили сна, формировалось меньше дендритных шипиков и меньше связей между нейронами, по сравнению с теми мышами, которые после занятий хорошо высыпались. Это значит, что после сна они лучше запоминали информацию.

К тому же, как оказалось, во время таких занятий активировалась вся проекционная зона коры головного мозга, а вот во время глубокой фазы медленного сна происходила ее реактивация. «Наши данные позволяют предположить, что эта реактивация во время сна как раз очень важна для роста новых межнейронных связей», — добавляет Гань.

Более того, ученые выяснили, что от типа занятия зависит то, какая ветвь дендрита будет расти. Это значит, что каждое новое занятие активирует определенные структурные элементы головного мозга.

«Теперь мы знаем, что, когда мы обучаемся чему-то новому, у нас образуются новые связи между нейронами на особых ответвлениях дентритов, — объясняет профессор Гань. — Представьте дерево, у которого растут листья (эти листья и есть дендритные шипики). Когда мы учимся, это похоже на рост новых листьев на определенных ветках».

Результаты исследований профессора Ганя и его коллег опубликованы в последнем номере журнала Science.

Дендритный шипик

Дендритный шипик — мембранный вырост на поверхности дендрита, способный образовать синаптическое соединение. Шипики обычно имеют тонкую дендритную шейку, оканчивающуюся шарообразной дендритной головкой. Дендритные шипики обнаруживаются на дендритах большинства основных типов нейронов мозга.

Шипики отличаются множеством форм, что отражается в их категоризации — различают филоподии, протошипики, грибовидные шипики, тонкие шипики, пеньковые шипики, разветвленные шипики и т. д. Существуют свидетельства того, что разные формы шипиков соответствуют разным стадиям развития и различной силе синаптических соединений. В исследованиях с использованием двухфотонных лазерных сканирующих микроскопов и конфокальных микроскопов было показано, что в зависимости от типа синаптической стимуляции объём и форма шипиков может изменяться, а сами шипики могут поворачиваться в пространстве, появляться и исчезать, при этом наиболее устойчивыми являются грибовидные шипики.

Шипики, в частности, выполняют роль отдельных клеточных компартментов, предотвращающих изменения в содержании ионов в цитоплазме материнского дендрита при активной работе синапсов.

См. также

  • Дендрит
  • Синапс
  • Двухфотонный лазерный микроскоп

Внешние ссылки

  • Трехмерная организация синапсов и астроглии в гиппокампе крыс и сусликов.

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Дендритный шипик. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

Ссылка на основную публикацию
Чем отличаются псевдогаллюцинации от истинных галлюцинаций
Галлюцинации : бредовые видения Термин «галлюцинация» происходит от латинского слова «hallucinatio», которое можно буквально перевести как «бредовое видение». В психиатрии...
Чем лечить у кота хламидиоз
Хламидиоз кошек: симптомы, лечение, анализы, вакцинация Хламидиоз – часто встречаемая инфекция у кошек в России. Возбудитель заболевания – внутриклеточная бактерия...
Чем лечить уреаплазмоз в домашних условиях, самые эффективные препараты, антибиотики и народные сред
Уреаплазма Введение Свое название Уреаплазмы получили из-за способности расщеплять мочевину в моче под действие вырабатываемого фермента уреазы (urina – моча,...
Чем отмыть йод, как убрать, оттереть с кожи – информационный портал о ремонте, отделке и обустройст
Чем отмыть зелёнку и йод с любой поверхности – более 20 способов Йод и зелёнка – отличные средства, которые дезинфицируют...
Adblock detector