Какие физические изменения происходят в мозгу при воспоминании?
Группа исследователей из Университета Южной Калифорнии впервые ответила на этот вопрос, вызвав память у личинок данио, а затем отобразив изменения в их прозрачных головах с клетками мозга, освещенными, как Таймс-сквер в канун Нового года.
После шести лет исследований они сделали новаторское открытие, что обучение заставляет синапсы , связи между нейронами, увеличиваться в одних областях и исчезать в других, а не просто изменять их силу, как принято думать. Эти изменения в синапсах могут помочь объяснить, как формируются воспоминания и почему одни виды воспоминаний сильнее других.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences и проводилось под руководством Дона Арнольда из USC, Скотта Э. Фрейзера и Карла Кессельмана.
Новый метод и инструменты
Исследование стало возможным благодаря новому типу маркировки клеток и изготовленному на заказ микроскопу, изобретенному в Университете Южной Калифорнии. Исследователи также разработали передовой способ отслеживания и архивирования собранных данных, чтобы сделать свои выводы максимально доступными и воспроизводимыми.
До их работы было невозможно определить местоположение синапса в живом мозге без изменения его структуры и функции, что делало невозможным сравнение до и после формирования памяти.
Благодаря междисциплинарному сотрудничеству между Инженерной школой Университета Южной Калифорнии в Витерби и Колледжем литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии в Дорнсайфе команды впервые смогли определить силу и расположение синапсов до и после обучения в мозгу живой рыбки данио. , животное, обычно используемое для изучения работы мозга. Рыбки данио достаточно велики, чтобы иметь мозг, который функционирует так же, как наш собственный, но достаточно малы и прозрачны, чтобы открывать окно в живой мозг. Поддерживая неповрежденную рыбу в живых, они смогли сравнить синапсы в одном и том же мозге с течением времени, что стало прорывом в области нейробиологии.
Чтобы создать воспоминания для измерения, исследовательской группе пришлось придумать новые методы, чтобы побудить личинок данио к обучению. Они сделали это, обучив 12-дневную рыбу ассоциировать включение света с нагревом головы инфракрасным лазером, чего они стремились избежать, пытаясь уплыть. Рыбы, которые научились ассоциировать свет с приближающимся лазером, махали хвостом, показывая, что они научились. Через пять часов обучения команда смогла наблюдать и фиксировать значительные изменения в мозге этих рыбок данио.
В дополнение к созданию этого нового подхода, Арнольд, нейробиолог USC Dornsife и профессор биологических наук и биомедицинской инженерии , возглавил группу, которая создала новые методы изменения ДНК рыбы, чтобы сила и местоположение синапса были отмечены знаком. флуоресцентный белок, который светится при сканировании лазером.
«Наши зонды могут маркировать синапсы в живом мозге без изменения их структуры или функции, что было невозможно с помощью предыдущих инструментов», — сказал Арнольд.
Это позволило специализированному микроскопу, разработанному командой Фрейзера, сканировать мозг и отображать расположение синапсов.
«Микроскоп, который мы построили, был специально разработан для решения этой задачи визуализации и извлечения необходимых нам знаний», — сказал Фрейзер, проректор биологических наук и биомедицинской инженерии в Центре конвергентных биологических наук им. и Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии. «Иногда вы пытаетесь получить настолько эффектное изображение, что вы убиваете то, на что смотрите. Для этого эксперимента нам нужно было найти правильный баланс между получением изображения, которое было бы достаточно хорошим, чтобы получить ответы, но не настолько впечатляющим, чтобы мы убить рыбу фотонами».
