Ученые впервые увидели рождение памяти в реальном времени

Знаете, что общего между вашим первым поцелуем, страхом перед пауком и способностью помнить, куда положили ключи от машины? Все это — загадка, которую наука только начала разгадывать. И, кажется, мы стоим на пороге великого переворота в понимании того, как работает наша память.

Мозг — штука сложная. Ученые бьются над ним не одно столетие, но с каждым годом вопросов становится только больше. Особенно сейчас, когда население планеты стареет, а болезни вроде Альцгеймера подкрадываются все ближе. Плюс травмы, стрессы, пандемии… Память дает сбои, и нам жизненно необходимо понять, почему. Главный вопрос: что вообще происходит в нашей голове, когда мы что-то запоминаем? Долгое время мы даже не могли это увидеть. Но недавно ученым из Университета Южной Калифорнии это удалось. И их открытие переворачивает все, что мы знали о воспоминаниях.

Долгое время царила теория, предложенная еще испанским неврологом Сантьяго Рамон-и-Кахалем в конце XIX века. Он первым доказал, что мозг состоит из отдельных клеток — нейронов, которые соединяются друг с другом через синапсы. Именно эти контакты, по его мнению, и есть основа всего. За это, кстати, он получил Нобелевку в 1906 году. Но был у него и мрачный прогноз: в 1914-м он заявил, что взрослый мозг неизменен, новые нейроны в нем не появляются, и все, что может умереть — умирает безвозвратно.

Долгие десятилетия эта мысль казалась аксиомой. Только в 60-х годах прошлого века нашелся смельчак, Джозеф Альтман, который усомнился и показал, что новые нейроны все-таки появляются. Его сначала просто игнорировали. Лишь к 90-м научный мир признал: мозг пластичен, он меняется. Но как именно? Как выглядят физические изменения, когда мы учим стихотворение или впервые влюбляемся? Увидеть это было невозможно: синапсы в сто раз тоньше человеческого волоса, а МРТ или электроэнцефалограмма дают лишь общую картину, вроде шума толпы на стадионе.

И вот трое исследователей из USC — Скотт Фрейзер, Дон Арнольд и Карл Кессельман — решили: пора заглянуть за горизонт. В 2015 году они получили солидный грант (почти 10 миллионов долларов!) и взялись за невыполнимое: увидеть живые синапсы в работе.

Объектом выбрали рыбку данио-рерио. И неспроста. Во-первых, ее мозг прозрачен — мечта визуализатора. Во-вторых, он устроен достаточно сложно, чтобы моделировать человеческие болезни, включая психические расстройства. Идеальный лабораторный пациент.

Арнольд придумал, как «подсветить» нейроны изнутри. Он модифицировал ДНК рыбок так, что их синапсы начинали светиться флуоресцентным белком под лазером. «Наши зонды помечают синапсы, не ломая их, — объясняет ученый. — Раньше такой точности не было».

Фрейзер построил для этой задачи уникальный микроскоп. Он работает по принципу светового листа: представьте, что вы режете невидимый объект не ножом, а тончайшим лучом света, слой за слоем. «Мы используем несколько лазеров, — рассказывает Фрейзер. — Один цвет показывает форму нейрона, другой — его активность».

Третий участник команды, Карл Кессельман, отвечал за «мозги» эксперимента — алгоритмы, которые сортировали и хранили гигантские объемы данных.

С таким арсеналом ученые шесть лет наблюдали за живыми рыбками, фиксируя изменения в их нейронах «до» и «после». Раньше для подобных опытов приходилось сравнивать мозг разных особей — одну обученную, другую нет. Теперь же они видели процесс в динамике у одной и той же рыбы.

И вот, спустя шесть лет, журнал PNAS публикует их сенсационные результаты. Рыбок учили ассоциировать свет с неприятным тепловым ударом (инфракрасным лазером). Через 12 дней тренировок рыбы, заслышав сигнал, начинали нервно вилять хвостами в попытке уплыть. Они запомнили связь. А потом ученые «стирали» эту память, просто многократно включая свет без нагрева.

И тут началось самое интересное. Вопреки догме последних 40 лет, сила существующих синапсов (их способность передавать сигнал) почти не изменилась. «Мы привыкли думать, что учимся, делая старые связи крепче, — комментирует Кессельман. — Но в нашем эксперименте все было иначе».

Оказалось, мозг работает как радикальный хирург: когда формируется воспоминание, он разрушает старые синапсы в одном месте и выращивает новые — в другом. Словно перестраивает мосты, а не просто укрепляет их. Память — это не прочность связей, а их количество и расположение. Звучит как научная фантастика, правда?

Что еще важно: все данные этого титанического труда открыты. Любой ученый может зайти на сайт проекта и покопаться в «кирпичиках» памяти. Кессельман специально создал систему, чтобы эксперимент был прозрачным и воспроизводимым.

Почему это открытие так важно для нас с вами? Потому что оно может объяснить, почему мы иногда не можем забыть какой-то кошмар. Исследователи предполагают, что «страшные» воспоминания (ассоциативные, связанные с миндалевидным телом — центром страха) записываются в мозг особенно надежно, буквально вырезаются на камне, в то время как обычные факты могут храниться на «временных носителях».

Авторы работы уже строят планы: попробовать точечно удалять эти новые синапсы у животных, не повреждая нейроны. Получится ли стереть страх? А затем — понять, как формируются менее эмоциональные воспоминания. Если гипотеза подтвердится, мы получим ключ к лечению посттравматического стрессового расстройства. Представляете: избирательное «стирание» травмы? Звучит пугающе и маняще одновременно. Конечно, до человека еще далеко — этических и технических преград хватает.

Впрочем, как замечает профессор Клифф Абрахам из Новой Зеландии, есть нюанс. Эксперимент проводили на молодых рыбках. А мозг, как и все в нашем теле, стареет. Будут ли те же процессы у взрослых особей — вопрос открытый.

Тем не менее, то, что сделала команда из USC, — не просто технологический подвиг. Это новый взгляд на природу нашей личности. Получается, наши воспоминания — не просто усилившиеся старые связи, а постоянно меняющаяся архитектура. И кто знает, может быть, однажды мы научимся не только лечить болезни памяти, но и управлять ею.