Энграммы: физические следы памяти в мозге.

Введение

Предполагаемые механизмы хранения воспоминаний

Энграмма – это единица когнитивной информации, запечатленная в физическом субстрате, теоретически являющаяся механизмом, посредством которого воспоминания хранятся как биофизические или биохимические изменения в мозге или других биологических тканях в ответ на внешние стимулы. Демонстрация существования, точного механизма и локализации нейрологически определенных энграмм является предметом непрерывных исследований на протяжении многих десятилетий.

История

Термин "энграмм" был предложен исследователем памяти Ричардом Семоном для обозначения физического субстрата памяти в организме. Однако Семон предупреждал: "У животных в процессе эволюции одна органическая система – нервная система – специализировалась на приеме и передаче стимулов. Однако из этой специализации нельзя вывести монополию нервной системы на эту функцию, даже на высших этапах эволюции, как у человека". Одним из первых, кто попытался определить местонахождение памяти в мозге, был Карл С. Лэшли, который удалял части мозга у грызунов. В экспериментах Лэшли крыс обучали проходить лабиринт, после чего удаляли ткань из их коры головного мозга. Увеличение объема удаленной ткани приводило к ухудшению памяти, но, что более удивительно, не имело значения, откуда именно удалялась ткань. Его поиски оказались безрезультатными, и его вывод о том, что память диффузно распределена в мозге, оказал значительное влияние. Однако сегодня мы понимаем, что память распределена в мозге не полностью, а лишь в значительной степени; это, в сочетании с ее динамической природой, затрудняет идентификацию энграмм с использованием традиционных научных методов. Позже Дэвид А. Маккормик и Ричард Ф. Томпсон искали энграмму в мозжечке, а не в коре головного мозга. Они использовали метод классического обусловливания реакции моргания у кроликов в поисках энграммы. Они направляли поток воздуха на роговицу глаза и одновременно включали звук. После нескольких повторений, связывающих звук с потоком воздуха, кролики начинали моргать при звуке даже без воздушного потока. Одной из областей, которую изучал Дэвид А. Маккормик, было латеральное межполюсное ядро (LIP). Он обнаружил, что записи нейронов в этом ядре отражали процесс обучения, стимуляция ядра вызывала выученный ответ, а повреждение этой области мозга приводило к исчезновению ответа. Другие члены группы Томпсона обнаружили, что при химической деактивации интерпозитного ядра обусловленный ответ исчезал, а при повторной активации – возвращался, что демонстрирует ключевую роль LIP в энграмме этого ответа. Этот подход, ориентированный на мозжечок, хотя и успешный, изучает лишь базовые, автоматические реакции, свойственные практически всем животным. Однако энграммы специфических типов памяти обнаруживаются в подсистемах, опосредующих процесс обучения, и поэтому энграммы простого обусловливания связаны исключительно с LIP, но не, например, энграммы семантической памяти.

The term "engram" was coined by memory researcher Richard Semon in reference to the physical substrate of memory in the organism. Semon warned, however: "In animals, during the evolutionary process, one organic system—the nervous system—has become specialised for the reception and transmission of stimuli. No monopoly of this function by the nervous system, however, can be deduced from this specialisation, not even in its highest state of evolution, as in Man." One of the first ventures on identifying the location of a memory in the brain was undertaken by Karl S. Lashley who removed portions of the brain in rodents. In Lashley's experiments, rats were trained to run through a maze and then tissue was removed from their cerebral cortex. Increasing the amount of tissue removed increased the degradation of memory, but more remarkably, where the tissue was removed from made no difference. His search thus proved unsuccessful, and his conclusion – that memory is diffusely distributed in the brain – became widely influential. However, today we appreciate that memory is not completely but only largely distributed in the brain; this, together with its dynamic nature, makes engrams challenging to identify using traditional scientific methods. Later, David A. McCormick and Richard F. Thompson sought the engram in the cerebellum, rather than the cerebral cortex. They used classical conditioning of the eyelid response in rabbits in search of the engram. They puffed air upon the cornea of the eye and paired it with a tone. After a number of experiences associating it with a tone, the rabbits became conditioned to blink when they heard the tone even without a puff. One region that David A. McCormick studied was the lateral interpositus nucleus (LIP). He found that recordings of neurons in this nucleus revealed activity that mirrored the learning, stimulation of the nucleus elicited the learned response, and lesion of this brain region abolished the response. Other members of the Thompson group found that when the interpositus nucleus was deactivated chemically, the conditioned response disappeared; when re activated, they responded again, demonstrating that the LIP is a key element of the engram for this response. This approach, targeting the cerebellum, though successful, examines only basic, automatic responses, which virtually all animals possess. However, engrams of specific types of memory are found in the subsystems mediating that learning process and as such solely engrams of simple conditioning are associated with the LIP but not, for instance, engrams of semantic memory.

Обзор

Нейробиология признает существование множества типов памяти, и их физическое расположение в мозге, вероятно, зависит от соответствующей системы, опосредующей кодирование этой памяти. Считается, что такие части мозга, как мозжечок, полосатое тело, кора головного мозга, гиппокамп и миндалина, играют важную роль в процессах памяти. Например, гиппокамп предположительно участвует в пространственной и декларативной памяти, а также в консолидации кратковременной памяти в долговременную. Исследования показали, что декларативные воспоминания перемещаются между лимбической системой, расположенной глубоко внутри мозга, и внешними, корковыми областями. Эти механизмы отличаются от механизмов более примитивного мозжечка, который играет доминирующую роль в мигательном рефлексе и непосредственно получает информацию от слуховой системы. Ему не требуется обращаться за помощью к другим структурам мозга для формирования некоторых воспоминаний, основанных на простых ассоциациях. Исследование, проведенное в MIT, показало, что поведение, основанное на высших когнитивных функциях, такое как проявление конкретного воспоминания, может быть вызвано у млекопитающих высокоспецифической физической активацией небольшой субпопуляции клеток мозга. Повторная активация этих клеток физическими методами у мышей, например, с помощью оптогенетики и освещения нейронов, позволила восстановить долговременное воспоминание, связанное со страхом. Другое исследование использовало оптогенетику и хемогенетику для контроля активности нейронов у животных при кодировании и воспроизведении памяти о пространственном контексте, чтобы изучить, как мозг определяет продолжительность хранения воспоминаний. Результаты, полученные исследователями, выявили роль специфических ингибирующих клеток гиппокампа (клеток, экспрессирующих соматостатин) в ограничении числа нейронов, участвующих в хранении пространственной информации, и ограничении длительности связанного с ней воспоминания. В 2016 году исследование, проведенное в MIT, показало, что потеря памяти на ранних стадиях болезни Альцгеймера может быть обратима путем укрепления специфических связей клеток энграммы памяти в мозге мышиных моделей болезни Альцгеймера.