Мозг начинает с «излишков» и буквально убирает всё лишнее: учёные обнаружили, как вырастает память

Недавно учёные выяснили, что главный центр памяти мозга, гиппокамп, в начале жизни буквально перегружен лишними и запутанными связями. По мере взросления эти связи безжалостно «обрезаются», создавая максимально эффективную и экономную структуру, которая позволяет хранить и извлекать память на протяжении всей жизни. Об этом рассказали в престижном научном журнале Nature Communications.

Гиппокамп – отдел мозга, напоминающий морского конька, отвечает не только за формирование воспоминаний, но и за навигацию в пространстве. Внутри гиппокампа существует особая «линия памяти» – схема CA3. Её называют автоассоциативной: достаточно мельчайшей детали (например, запаха специй), чтобы в голове воскресла вся картина, например, ваша детская кухня.

Работа этого ансамбля строится на синапсах – местах встречи и передачи сигналов между нейронами. Эти связи пластичны: становятся крепче или слабее в зависимости от полученного жизненного опыта. Взрослый мозг исследовали давно, а вот как эта схема создаётся после рождения – оставалось тайной.

Учёные из Института науки и технологий Австрии решили разобраться, как развивается эта «прародительница памяти». Существуют две противоположные теории. Первая – «чистая доска» (tabula rasa): мозг рождается почти пустым и по мере взросления наращивает связи. Вторая – «полная доска» (tabula plena): мозг сразу перенаселён лишними связями, которые потом безжалостно выбрасываются за ненадобностью. Группа нейробиолога Виктора Варгаса-Барросо решила выяснить, кто из философов и биологов был прав.

Они рассмотрели срезы мозга мышей на трёх этапах: сразу после рождения, в подростковом возрасте и у взрослых особей. Использовали продвинутую методику – многоклеточную запись patch-clamp, чтобы отслеживать электрическую активность сразу восьми клеток. А чтобы увидеть миниатюрную нейронную паутину, нейроны заливали краской и строили 3D-модели под микроскопом. В итоге проверили более семи тысяч возможных связей.

Результаты впечатлили: у детёнышей нейроны соединены словно в перепутанной сети – связи хаотичны и густы. С возрастом их становится всё меньше, но сеть уже не локальна, а разреженно-распределённая и высокоорганизованная. Легендарный Питер Йонас заметил: «Вопреки здравому смыслу, сеть начинает полной, а затем — словно садовник с секатором — избавляется от всего ненужного».

Формы нейронов меняются: аксоны (ветви, передающие сигнал) в зрелости становятся короче и скучнее, а дендриты (принимающие сигнал) наоборот – разрастаются и обретают больше «приёмников». Обрезка происходит в одни ворота: природа избавляется именно от лишних «выходных» линий.

Меняется и способ общения среди нейронов. В начале одна связь может «взорвать» весь получатель своим сигналом. Взрослым же нейронам нужно собраться вместе и «кинуться толпой», чтобы случился отклик. Мозг переключается с реакций на одиночные сигналы на поиск совпадений сразу из разных источников.

Учёные даже смоделировали на компьютере мозг из ста тысяч нейронов: оказалось, что именно разрежённая сеть с слабыми, но отобранными связями лучше всего хранит воспоминания.

По мнению авторов, бешеный рост связей в начале развития нужен, чтобы нейроны быстрее нашли «друзей». Ведь гиппокамп собирает не только зрительные или слуховые впечатления, а все виды ощущений в одну мозаику.

Тотальная обрезка необходима: без плотного «старта» нейроны будто бы оказались бы на другой планете и не смогли бы общаться. Есть, правда, ещё загадки. Все исследования — на тонких срезах мозга, так что длинные связи могли ускользнуть. Биохимия процесса «садовничанья» — пока за кадром, но предполагают, что за дело берутся специальные клетки иммунной системы либо тормозящие нейроны в подростковом возрасте.

Хотят учёные наблюдать сотворение и разрушение синапсов вживую. Тогда будет понятно: выкладывают ли жёстко заданные «тропинки» гены или мозг лепится каждым прожитым днём. Ну и бонус для человечества: у людей эпизодическая память появляется не сразу, а ближе к двум годам, что идеальным образом совпадает с тем, что увидели у мышей. Детская амнезия, возможно, связана с тем, что первые воспоминания теряются после зачистки лишних связей в мозге.

Авторы работы: Виктор Варгас-Барросо, Джейк Ватсон, Андреа Навас-Олив, Алоис Шлегл, Питер Йонас.