В новом исследовании американским ученым впервые удалось пронаблюдать в реальном времени формирование двигательных воспоминаний и выяснить, почему так называемая мышечная память настолько устойчива к забыванию. Исследование может помочь выявить первопричины двигательных расстройств, возникающих при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, а значит, и найти оптимальный метод их лечения.

Сегодня считается, что воспоминания сохраняются в головном мозге в виде активности сетей из сотен или даже тысяч нейронов, порой распределенных по сильно отдаленным областям мозга. Иногда такую сеть называют энграммой памяти (memory engram). И хоть концепция, объясняющая память через энграммы, развивается более века, точно определить, что же такое энграмма и как она формируется, оказалось чрезвычайно сложной задачей. Предыдущие исследования показали, что некоторые формы обучения активируют определенные сети нейронов, которые затем снова активируются при воспроизведении сохраненных воспоминаний.

Однако до сих пор не было известно, образуются ли энграммы при обучении двигательным навыкам, а если да, то какие изменения претерпевают нейроны и их сети для формирования энграмм. На эти вопросы решили ответить ученые из Стэнфордского университета (США).

Статья с описанием результатов опубликована в журнале Neuron.

Авторы обучили мышей доставать лапкой пищевые гранулы через небольшую прорезь в клетке. При помощи современных методов нейровизуализации (иммуноокрашивание c-Fos) ученые смогли идентифицировать нейроны, активировавшиеся во время процесса обучения, в первичной моторной коре головного мозга — области, ответственной за управление движениями. Потенциальные энграммы пометили флуоресцентной меткой, чтобы увидеть, какую роль эти сети нейронов играют во время вспоминания требуемого движения.

Краткий обзор схемы эксперимента и результатов исследования / © Fuu-Jiun Hwang et al, Neuron, 2022

Полушарие головного мозга мыши, окрашенное флуоресцентной меткой (пурпурный) и иммуноокрашиванием c-Fos (зеленый) / © Fuu-Jiun Hwang et al, Neuron, 2022

Спустя несколько недель исследователи проверили память животных и обнаружили, что мыши, все еще помнившие этот навык и без труда справлявшиеся с задачей, демонстрировали повышенную активность в тех же самых нейронах, которые впервые идентифицировали и пометили в период обучения. Значит, именно эти нейроны составляют энграммы памяти и ответственны за формирование навыка. Более того, ученые в реальном времени наблюдали, как «энграммные нейроны» перепрограммируют себя по мере обучения грызунов.

Так, эти нейроны моторной коры обзавелись новыми входными синапсами (местами контакта между двумя нейронами), через которые принимается информация об успешности выполнения движения для его корректировки, и сами сформировали новые выходные связи в отдаленной области мозга, называемой дорсолатеральным полосатым телом (ДПТ). Это ключевая область головного мозга, через которую нейроны энграмм могут осуществлять контроль над движениями животного. Таким образом, исследователи впервые наблюдали создание новых синаптических путей на одной и той же популяции нейронов — как на входном (в первичной моторной коре), так и на выходном уровне (в ДПТ).

Еще один важный вопрос, на который попытались ответить ученые, заключался в следующем: требуется ли активация лишь определенных энграммных нейронов для выполнения уже выученных двигательных задач. Подавляя активность нейронов, которые идентифицированы как часть энграммы памяти моторной коры, авторы работы убедились, что мыши все же способны выполнять поставленную двигательную задачу. Следовательно, двигательные воспоминания не только крайне рассредоточены, но и весьма избыточны, что позволяет лучше сохранять воспоминания даже при потере части нейронов сети.

По словам исследователей, раз за разом повторяя изученные навыки, мы постоянно развиваем моторные энграммы, создавая новые синаптические связи, совершенствуя навык и укрепляя память о нем.

Это как раз то, что подразумевается под термином «мышечная память» — избыточная сеть двигательных энграмм, используемая так часто, что связанный с ней навык кажется автоматическим (езда на велосипеде, игра на фортепиано и гитаре, катание на коньках). Именно постоянное повторение считается одной из главных причин устойчивости мышечной памяти к забыванию.

В дальнейшем ученые планируют выяснить, служит ли болезнь Паркинсона результатом блокировки этих моторных энграмм или их полной потери. В первом случае пациенты должны иметь возможность улучшить свои двигательные способности, практикуя и укрепляя мышечную память. Однако если болезнь разрушает моторные энграммы и препятствует созданию новых — путем воздействия на нейроны моторных энграмм и их синаптическую связь, наблюдаемую в новом исследовании, — то для эффективного лечения придется использовать совершенно иной подход.