Вчені розкривають приховану архітектуру пам’яті

Нові структурні маркери зберігання пам’яті, виявлені Scripps Research, можуть прокласти шлях до нових методів лікування втрати пам’яті. Використовуючи передові генетичні інструменти, тривимірну електронну мікроскопію та штучний інтелект, вчені Scripps Research та їхні співробітники визначили ключові ознаки довготривалої пам’яті, відомої як енграма. Опубліковані в Science 20 березня 2025 року, їхні висновки пропонують нове розуміння, яке може призвести до покращення лікування втрати пам’яті та інших когнітивних розладів, пов’язаних зі старінням і нейродегенеративними захворюваннями.

«Наша робота використовує останні технологічні розробки в багатьох галузях», — каже Марко Уітієпо, аспірант Scripps Research і провідний автор дослідження. «Ми використовували 3D-зображення з високою роздільною здатністю, щоб виявити складну архітектуру ланцюгів мозку, які зберігають сліди пам’яті з безпрецедентною деталізацією. Оскільки аналіз цих зображень за допомогою звичайних комп’ютерних програм може тривати роками, ми значною мірою покладалися на алгоритми ШІ, щоб прискорити обробку даних на кілька порядків».

Уітіепо та його команда зосередилися на гіпокампі, ділянці мозку, яка є необхідною для навчання та пам’яті як у тварин, так і у людей. Використовуючи моделі миші, вони позначили та ідентифікували нейрони, активовані під час виконання конкретного навчального завдання. Потім вони реконструювали синаптичні зв’язки між цими нейронами, де відбувається зв’язок, у нанометровому масштабі.

«Ми сподівалися відкрити щось цікаве, оскільки раніше подібних підходів не було застосовано», — говорить Антон Максимов, професор неврології та старший автор дослідження. «Чого ми не очікували, це те, що наші висновки кинуть виклик двом давнім догмам».

Виклик усталеним поглядам на формування пам’яті

У нейронних синапсах хімічні сигнали зазвичай передаються від одного нервового закінчення — роздутої області аксона, заповненої везикулами, які секретують ці сигнали — до одного постсинаптичного місця на дендриті приймаючої клітини. Багато попередніх досліджень (з використанням методів оптичного зображення з нижчою роздільною здатністю) показали, що для навчання потрібне масове збільшення кількості синапсів.

Однак команда Максимова виявила, що це не завжди так — загальна кількість і розташування ізольованих синапсів залишаються незмінними після формування пам’яті. Натомість нейрони, виділені для енграми, розширили свій зв’язок за допомогою мультисинаптичних бутонів (MSB) — спеціалізованих аксональних терміналів, які одночасно сигналізують до шести різних дендритів, а не лише до одного. Ці MSB були не тільки більш поширеними вздовж аксонів активованих нейронів, але й структурно більш складними.

Неочікувана поведінка мережі та зміни стільникового зв’язку

По-друге, команда Максимова виявила, що нейрони інграми в суміжних областях гіпокампу не переважно з’єднуються один з одним, що суперечить тому, що широко поширено в цій галузі. Натомість розширення їхньої мережі через MSB призвело до залучення інших нейронів, які не були задіяні під час навчання. Крім того, дослідники виявили, що нейрони інграми демонструють дрібні зміни в архітектурі своїх окремих синапсів, включаючи зміни у внутрішньоклітинних органелах, таких як мітохондрії та гладкий ендоплазматичний ретикулум. Крім того, ці нейрони продемонстрували посилену взаємодію з астроцитами — гліальними клітинами, які регулюють синаптичну функцію та забезпечують метаболічну підтримку.

Зараз дослідники прагнуть визначити, чи діють подібні механізми в інших ланцюгах мозку і чи сприяє їх дисфункція втраті пам’яті. Крім того, MSBs стали перспективними терапевтичними мішенями.

«Ми в захваті від можливості націлювання на MSB препаратами для розробки нових ефективних методів лікування розладів пам’яті», — говорить Максимов. «Однак досягнення цієї мети вимагатиме розробки нових інструментів для аналізу молекулярного складу MSBs, який залишається повністю недослідженим. Ми вже досягаємо прогресу в цьому напрямку, але багато роботи ще попереду».

У рамках цих зусиль дослідники також продовжують удосконалювати свої конвеєри штучного інтелекту, щоб підвищити ефективність і точність аналізу великомасштабних даних зображень. Це дослідження було проведено у співпраці з Національним центром мікроскопії та досліджень зображень (NCMIR) при Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго під керівництвом видатного професора нейронаук Марка Х. Еллісмана. Як національний ресурс NIH BRAIN Initiative для інтеграції та розповсюдження технологій, NCMIR надає передові інструменти візуалізації, які сприяють дослідженням нейронауки.

«Нам неймовірно пощастило, що ми об’єднали зусилля з Марком і його командою», — каже Максимов. «Їхні глибокі знання, технічний досвід і доступ до найсучасніших мікроскопів відіграли важливу роль у нашому успіху».