Сотрудники лаборатории нейробиолога Кори Баргманн проводят довольно много времени, наблюдая за перемещением червей. Эти крошечные существа, Caenorhabditis elegans, питаются почвенными бактериями, и сама их жизнь зависит от их способности отличать токсичные микробы от питательных. В недавнем исследовании Баргманн и ее коллеги показали, что черви на первой личиночной стадии могут узнавать запах вредоносных штаммов бактерий и формировать отвращение к этим запахам, которое сохраняется и во взрослой жизни.
Многие животные способны сохранять жизненно важные воспоминания на всю жизнь в критический период вскоре после рождения. Это явление, известное как импринтинг, позволяет только что вылупившимся гусям связываться со своими мамами и дает лососям возможность вернуться в родной ручей после нереста. И хотя процессы обучения людей могут быть более сложными и тонкими, ученым давно известно, что способность нашего мозга хранить память и поддерживать ее в долгосрочной перспективе зависит от того, когда и как эта память была приобретена.
"В случае червей мы были очарованы, обнаружив, что их маленькая и простая нервная система способна не только запоминать вещи, но и формировать долговременные воспоминания," говорит Баргманн, которого зовут Торстен Н. Визель, профессор и руководитель лаборатории нейронных цепей и поведения Лулу и Энтони Ванга, а также содиректор нового Института нейронных систем Кавли в Рокфеллере. "Это вызывает вопрос о том, являются ли процессы обучения, происходящие на разных этапах жизни, биологически разными."
В ходе исследования она и аспирант Рокфеллера Синь Цзинь позволили молодым и взрослым червям научиться избегать запахов пищи и подробно изучили нейронные цепи, которые вызывают воспоминания об этом опыте. Их результаты, опубликованные сегодня в Cell, проясняют, какие нейроны, гены и молекулярные пути различают два типа памяти, открывая новые перспективы в нейробиологии обучения.
Запечатленные отвращения длятся всю жизнь
Когда взрослый C. Черви elegans сталкиваются с патогенными бактериями, они избегают этого, двигаясь в противоположном направлении, и избегают подобных бактерий в течение примерно суток. Но их память скоро исчезает.
Молодые черви, напротив, производят более длительные впечатления. Исследователи позволили новорожденным червям вылупиться прямо на лужайку с патогенами и оставили их там на первые двенадцать часов жизни – первую личиночную стадию. (Жуки заразили червей кишечными инфекциями, но не убили их.) Затем, когда черви снова встретились с возбудителями во взрослом возрасте – три дня спустя – они сбежали. Черви, которые не вылупились на ядовитых бактериях, нашли их столь же привлекательными, как и безвредные.
Джин обнаружила, что, подавляя определенные нейроны червей и повторяя анализы обучения, она смогла определить вклад каждой нервной клетки в процесс памяти. Результаты ее экспериментов показывают, что нейронные цепи, которые опосредуют два типа обучения, похожи, но не идентичны. Многие нейроны необходимы как для импринтированного обучения, так и для обучения взрослых, но клетки, называемые AIB и RIM, уникально важны для формирования импринтированной памяти на личиночной стадии.
Аналогичная картина возникла, когда исследователи сравнили гены и сигнальные пути, которые активируются, когда черви формируют импринтированные воспоминания, с краткосрочными воспоминаниями. Эти два процесса основаны на схожих молекулярных компонентах, но было обнаружено, что некоторые гены необходимы только для одного типа обучения.
"Эти результаты показывают, что раннее импринтинг не полностью отличается от другого обучения – это та же система, дополненная некоторыми особыми функциями," Баргманн говорит.
Как воспоминания формируются, хранятся и восстанавливаются
Когда мы узнаем что-то новое, задействованы несколько неврологических процессов. Например, когда птенец певчих птиц разучивает песню у взрослой птицы, воспоминание о выступлении наставника должно сначала сформироваться и сохраниться в его мозгу. Затем, когда пришло время птице дебютировать со своей собственной песней, эту память необходимо восстановить, чтобы попрактиковаться, а затем выполнить вокальное поведение.
Поскольку мозг большинства животных очень сложен, ученым было трудно детально изучить эти элементы обучения. Используя C. elegans, чей скромный мозг имеет всего 302 нейрона, исследователи смогли пролить свет на нейронные цепи, которые управляют формированием и извлечением памяти червя, и эти два процесса оказались неврологически разными.
"Мы узнали, что когда черви формируют раннее воспоминание о запахе пищи, они используют один набор нейронов, чтобы закрепить это воспоминание," Баргманн говорит, "а позже в жизни, когда они снова сталкиваются с тем же запахом, они используют другой набор нейронов, чтобы вытащить воспоминания."
Как воспоминания хранятся в мозгу – в каких нейронах они находятся и что составляет их на молекулярном уровне – остается неуловимым. Но Баргманн говорит, что результаты ее лаборатории заложили основу для будущих исследований хранимой памяти и других открытых вопросов.
"Самое яркое в этой работе то, что она напоминает нам, что обучение – это не какое-то необычное новшество сложного мозга," она говорит. "Это фундаментальная функция, которую может выполнять любая нервная система."