Как мозг выбирает, что запомнить, а что забыть

Долговременная память возникает в результате последовательности молекулярных программ, которые сортируют, стабилизируют и укрепляют важные переживания.

Понимание этих таймеров может позволить исследователям обойти поврежденные области мозга и сохранить воспоминания при дегенеративных состояниях.

Как мозг выбирает, что запомнить
Каждый день мозг берет мимолетные переживания, моменты творчества и эмоционально насыщенные события и превращает их в долговременные воспоминания, которые помогают формировать то, кем мы являемся и как мы принимаем решения. Основной вопрос заключался в том, как мозг выбирает, какие фрагменты информации сохранить и как долго каждый из них должен оставаться.

Недавние исследования показывают, что долговременные воспоминания формируются посредством ряда молекулярных процессов синхронизации, которые разворачиваются в разных частях мозга. Используя поведенческую систему на основе виртуальной реальности у мышей, ученые обнаружили, что определенные молекулярные регуляторы направляют воспоминания по разным путям, либо усиливая их до более стабильных форм, либо позволяя им исчезать.

Несколько областей мозга координируют долговременное хранение
Исследование, опубликованное сегодня (16 ноября) в журнале Nature, показывает, что несколько областей мозга работают вместе, чтобы постепенно преобразовывать новые впечатления в более постоянные воспоминания. По ходу этого процесса различные контрольные точки помогают определить, какие воспоминания достаточно важны, чтобы быть укрепленными и сохраненными.

«Это ключевое открытие, потому что оно объясняет, как мы регулируем долговечность воспоминаний», — говорит Прия Раджасетупати, руководитель лаборатории нейронной динамики и когнитивных функций Skoler Horbach Family Laboratory. «То, что мы выбираем для запоминания, — это непрерывно развивающийся процесс, а не однократное нажатие на переключатель».

Переосмысление модели памяти с двумя областями
На протяжении многих лет ученые концентрировались в основном на двух основных участниках: гиппокампе, который поддерживает кратковременную память, и коре головного мозга, которая, как считается, хранит долговременные воспоминания. Согласно этой традиционной точке зрения, долговременные воспоминания контролируются молекулярными переключателями, которые либо включены, либо выключены.

«Существующие модели памяти в мозге включали транзисторные молекулы памяти, которые действуют как переключатели», — говорит Раджасетупати.

Эта модель предполагала, что как только кратковременная память была отмечена для долгосрочного хранения, она оставалась там неизменной. Однако, несмотря на то, что эта модель дала ценные знания, стало ясно, что она не полностью отражает сложность стабильности памяти и не объясняет, почему некоторые долговременные воспоминания сохраняются только несколько недель, а другие — всю жизнь.

Центральная роль таламуса в стабилизации воспоминаний
Затем, в 2023 году, Раджасетупати и его коллеги опубликовали статью, в которой определили путь в мозге, связывающий краткосрочную и долгосрочную память. Важной составляющей этого пути является область в центре мозга, называемая таламусом, которая не только помогает выбирать, какие воспоминания следует запомнить, но и направляет их в кору головного мозга для долгосрочной стабилизации.

Эти открытия создали основу для решения некоторых из самых фундаментальных вопросов в области исследования памяти: что происходит с воспоминаниями после краткосрочного хранения в гиппокампе и какие молекулярные механизмы лежат в основе процесса сортировки, который продвигает важные воспоминания в кору головного мозга и понижает неважные, чтобы они были забыты?

Эксперименты с виртуальной реальностью показывают, как формируется стойкость памяти
Чтобы ответить на эти вопросы, команда разработала поведенческую модель с использованием системы виртуальной реальности, в которой мыши формировали определенные воспоминания. «Андреа Терсерос, постдокторант в моей лаборатории, создала элегантную поведенческую модель, которая позволила нам по-новому подойти к решению этой проблемы», — говорит Раджасетупати. «Изменяя частоту повторения определенных событий, мы смогли заставить мышей запоминать одни вещи лучше, чем другие, а затем изучить мозг, чтобы понять, какие механизмы связаны с устойчивостью памяти».

Но одной корреляции было недостаточно. Чтобы продемонстрировать причинно-следственную связь, соруководитель проекта Селин Чен разработала платформу CRISPR для скрининга, позволяющую манипулировать генами в таламусе и коре головного мозга. С помощью этого инструмента они смогли продемонстрировать, что удаление определенных молекул влияет на продолжительность памяти. Примечательно, что они также наблюдали, что каждая молекула влияет на эту продолжительность в разных временных масштабах.

Молекулярные таймеры заменяют миф о единственном переключателе
Результаты показывают, что долговременная память поддерживается не единственным молекулярным переключателем «вкл/выкл», а каскадом программ, регулирующих гены, которые разворачиваются во времени и по разным областям мозга, как серия молекулярных таймеров.

Начальные таймеры включаются быстро и так же быстро исчезают, позволяя быстро забывать; более поздние таймеры действуют медленнее, но создают более стойкие воспоминания. Этот пошаговый процесс позволяет мозгу выделять важные переживания для долгосрочного хранения, в то время как другие исчезают. В этом исследовании ученые использовали повторение в качестве показателя важности, сравнивая воспоминания о часто повторяющихся контекстах с теми, которые встречаются реже. Команда идентифицировала три транскрипционных регулятора: Camta1 и Tcf4 в таламусе и Ash1l в передней поясной коре, которые не являются необходимыми для первоначального формирования воспоминаний, но имеют решающее значение для их сохранения. Нарушение работы Camta1 и Tcf4 ухудшало функциональные связи между таламусом и корой, что приводило к потере памяти.

Поэтапная стабилизация
Модель предполагает, что после формирования базовой памяти в гиппокампе Camta1 и его мишени обеспечивают первоначальную стойкость памяти. Со временем активируются Tc4 и его мишени, обеспечивая клеточную адгезию и структурную поддержку для дальнейшего сохранения памяти. Наконец, Ash1l запускает программы ремоделирования хроматина, которые делают память более стойкой.

«Если вы не продвигаете воспоминания на эти таймеры, мы считаем, что вы готовы быстро их забыть», — говорит Раджасетупати.

Интересно, что Ash1l принадлежит к семейству белков, называемых гистоновыми метилтрансферазами, которые сохраняют память и в других биологических системах. «В иммунной системе эти молекулы помогают организму запоминать прошлые инфекции; во время развития те же молекулы помогают клеткам запоминать, что они стали нейронами или мышцами, и сохранять эту идентичность в долгосрочной перспективе», — говорит Раджасетупати. «Мозг может перепрофилировать эти повсеместные формы клеточной памяти для поддержки когнитивных воспоминаний».

Маршрутизация воспоминаний вокруг поврежденных заболеванием цепей
Эти открытия могут иметь значение для заболеваний, связанных с памятью. Раджасетупати предполагает, что, идентифицировав генные программы, которые сохраняют память, исследователи в конечном итоге могут найти способы перенаправить память через альтернативные цепи и вокруг поврежденных частей мозга при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера. «Если мы знаем вторую и третью области, которые важны для консолидации памяти, и у нас умирают нейроны в первой области, возможно, мы сможем обойти поврежденную область и позволить здоровым частям мозга взять на себя эту функцию», — говорит она.

Следующие шаги Раджасетупати будут сосредоточены на выявлении того, как включаются различные молекулярные таймеры. И что определяет их продолжительность. По сути, что сообщает мозгу о том, насколько важна память и как долго она должна сохраняться? Ее лаборатория уделяет особое внимание роли таламуса, который они определили как критически важный центр принятия решений в этом процессе.