Atklājumi.lv

e-žurnāls par zinātni, cilvēku un rītdienas tehnoloģijām

Atmiņu veidošanos tagad var ieraudzīt mikroskopā

Apmācība un ilglaicīgu atmiņu veidošanās dzīvniekiem balstās uz pastāvīgu jaunu saišu veidošanos un veco atmiršanu starp smadzeņu neironiem. Amerikāņu neirobiologiem pirmoreiz izdevās detalizēti izsekot šiem procesiem peļu apmācības gaitā. Izrādījās, ka apmācības laikā dendrīti (sazaroti neironu "ieejas" izaugumi) veido daudzus jaunus sazarojumus, kuru skaits korelē ar apmācības efektivitāti. Pēc treniņu beigām liela daļa no jaunajiem izaugumiem atmirst, taču daži saglabājas uz visu dzīvi, tā nodrošinot ilgstošu iegūtu atmiņu un prasmju saglabāšanos.

Atmiņas veidošanās mehānismi molekulārajā un šūnu līmenī mūsdienās ir kopumā saprotami (sk: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007.). Zīdītājiem nozīmīga loma apmācībā un ilgtermiņa atmiņu veidošanā ir procesam, kurā dendrīti nepārtraukti izaudzē jaunus mazus izaugumus - dendrītu spinus (No angļu - "dendritic spine". Latviešu zinātniskajā terminoloģijā šo izaugumu angliskais nosaukums tulkots kā "dzelonīši", kas ir pilnībā neatbilstoši to morfoloģiskajai struktūrai. "Dzelonis" ir tikai viena no daudzajām angļu vārda "spine" nozīmēm un šeit izvēlēta acīmredzami neveiksmīgi - red. piezīme). Spini veido savienojumus (sinapses) ar citiem neironiem un kalpo signālu uztverei. Līdztekus jaunu spinu izaudzēšanai pastāvīgi norit veco izzušana (tas acīmredzami izraisa pilnīgi un daļēju iepriekšējās apmācības rezultātu aizmiršanu). Tādā veidā neirons var gan "pieslēgties", gan "atvienoties" no saviem kaimiņiem, kā arī pastiprināt vai pavājināt savienojuma intensitāti (tas ir, pieškirt lielāku vai mazāku "svaru" impulsiem, ko saņem no tiem).

Zīdītāju smadzenes sevī ietver divas spējas, kas šķietami ir pretrunā viena otrai: spēju pastāvīgi apgūt jaunas zināšanas (piemēram, kā jaunus iegūtos nosacījuma refleksus) un vienlaicīgi arī spēju saglabāt daļu no apgūtajām zināšanām līdz pašai nāvei. Kā gan smadzenēm izdodas apvienot starpneironu saišu plastiskumu ar atmiņu stabilu glabāšanu?

Ar to, kā parasti, palīdzēja tikt skaidrībā jaunas ierīces un metodes. Neirobiologi no Ņujorkas universitātes medicīnas centra savos eksperimentos izmantoja ģenētiski modificētas peles, kurām daži galvas smadzeņu garozas neironi (neokorteksa V slāņa piramidālie neironi, sk.: Pyramidal neuron) ražo dzeltenu fluorescējošu olbaltumvielu. Tas ļauj ar divfotonu lāzermikroskopu novērot dendrītu spinu augšanu un atmiršanu tieši dzīvās pelēs - cauri galvaskausam.

Pirmajā eksperimentā peles divas dienas apmācīja skriet pa ātri rotējošu cilindru - tas ir triks, kuram ir nepieciešamas zināmas iemaņas. Šo divu dienu laikā pelēm garozas motoriskajā  iecirknī, kas atbild par priekšējo ķepu kustībām, neironiem izveidojās par 5-7% vairāk jaunu spinu, nekā kontroles pelēm, kurām neko nemācīja. Turklāt izrādījās, ka vienveidīgu treniņu turpinājumā jaunu spinu veidošanās palēninās (jo dzīvnieks jau ir iemācījies šo triku), taču tā atkal aktivizējas, ja pelēm sāk mācīt kaut ko citu (piemēram, skriet pa to pašu cilindru atmuguriski). Tas nozīmē, kas spinu veidošanās ir saistīta tieši ar apmācību, nevis vienkārši fiziskiem vingrinājumiem.

Otrajā eksperimentā pelēm bija jāapgūst nevis skriešana pa rotējošo cilindru, bet gan jāiemācās dzīvot (un atrast barību un ūdeni) telpā, kas bija aizpildīta ar lodīšu krellēm, kas karājās no griestiem. Šoreiz jauni spini veidojās galvenokārt tajā garozas iecirknī, kas iegūst informāciju no vibrisām (jūtīgajām ūsiņām). Pelēm ar apgrieztām ūsām šī smadzeņu iecirkņa dendrīti neizaudzēja jaunus spinus. Dendrītu spinu augšana palēninājās pēc divu dienu atrašanās šajā neierastajā vidē, taču atkal aktivizējās pēc tam, kad peles ievietoja telpā arcitām krellēm.

Pēc tam zinātnieki novēroja, kā notiek jauno spinu izzušana pēc treniņu pārtraukšanas (kas atbilst pakāpeniskai apgūto "mācību stundu" aizmiršanai). Izrādījās, ka 75% jauno spinu, kas izauguši šajā divu dienu apmācībā, izzūd nākošajās divās nedēļās. Daudz lēnāk notiek to spinu izzušana, kuri iegūti ilgstošākas (4-14 dienu) apmācībās.

Dabīgi pieņemt, ka tie spini, kas saglabājas ilgi, atbild par ilglaicīgu iegūto iemaņu saglabāšanu. Pētnieki to pārbaudīja, salīdzinot saglabājušos spinu daudzumu ar to, cik lielā mērā bija saglabājušās iemaņas 1-2 nedēļas pēc treniņu pārtraukšanas. Rezultāti pilnībā apstiprināja teorētiskās prognozes: tās peles, kurām saglabājās vairāk jauno spinu, labāk saglabāja arī savas kustību iemaņas (kustību iemaņu saglabāšanos novērtēja pēc ātruma, kurā pele varēja skriet par rotējošo cilindru, nenokrītot no tā).

Zinātnieki noskaidroja, ka dažādi ilgstošas (7-14 dienas) apmācības veidi izraisa paātrinātu agrāk dzīvē iegūto dendrītu izzušanu. Tas attiecās arī uz iepriekšēju kaut kā iemācīšanos. Jaunās prasmes un atmiņas pakāpeniski "izdzēš" vecās - taču acīmredzot ne līdz galam. Jauno prasmju apgūšanas efektivitāte pozitīvi korelē ar zaudēto veco spinu skaitu.

Neliela dendrītu skaita novērošanas rezultātu sarežģīta matemātiskā apstrāde ļāva veikt divus papildus secinājumus. Jauniegūtie spini acīmredzot dalās trīs grupās: pirmā, visdaudzskaitlīgākā, izzūd pirmajās dienās pēc treniņu beigām; otra, mazākā, saglabājas vidēji 1-2 mēnešus. Taču ir arī trešā spinu grupa (apmēram 0,8% no kopējā skaita), kas saglabājas uz visu mūžu. Autori aprēķināja, ka divu dienu ilga skriešana pa rotējošo cilindru izraisa apmēram divu miljonu tādu starpneironu kontaktu veidošanos, kas saglabājas līdz pašai dzīvnieka nāvei. Acīmredzot tas ir pilnībā pietiekami attiecīgās kustības iemaņu saglabāšanai. Līdz šim neviens nezināja, kādā veidā norit atmiņu glabāšana visas dzīves ilgumā - vai tās tiek "ierakstītas" uz visiem laikiem vienos un tajos pašos starpneironu kontaktos, vai arī saglabājas dinamiskā veidā, pakāpeniski "pārrakstoties" no vienām sinapsēm uz citām. Iegūtie rezultāti ir arguments par labu pirmajam no šiem diviem variantiem.

Tas, ka autoriem izdevās parādīt, ka daļa dendrītu spinu saglabājas visu mūžu acīmredzot ir pats svarīgākais pētījuma rezultāts. Agrāk bija zināms, ka starpneironu saišu sistēma ir ārkārtīgi plastiska un pakāpeniski pārbūvējas. Turklāt nebija skaidrs, kā ar tādu elastību un pastāvīgām pārbūvēm smadzenēm izdodas saglabāt atmiņas visas dzīves garumā.

Pētnieki arī aprēķināja, ka no visiem dendrītu spiniem, kas pelei ir izveidojušies 30. dienā pēc dzimšanas, līdz dzīves beigām saglabājas apmēram 30-40%. Raksta noslēguma daļā autori piemin vairākus netiešus argumentus par labu tam, ka likumsakarības, ko viņi novēroja vienam galvas smadzeņu neironu tipam - piramidālajiem V slāņa neironiem, ir kopīgas lielākajai daļai garozas neironu.

Raksta autors sava apskata noslēgumā uzdod jautājumu: "Vai turpmākā līdzīgu tehnoloģiju attīstība kaut kad ļaus izstrādāt ierīci, ar ko nolasīt informāciju no smadzenēm - piemēram, no miruša cilvēka?" Mēs, protams, piekrītam, ka tāda iespējamība principā pastāv un varam galvot, ka pasaulē būs daudz gribētāju iegūt savās rokās šādu tehnoloģiju. Tomēr, lai runātu par atmiņu nolasīšanu, vispirms ir jāatpazīst to "formāts", kas, savukārt, diez vai būs panākams bez dziļākas visu smadzeņu darbības un jo īpaši - apziņas "anatomijas" izpratnes. Tikai tad, kad sapratīsim, kas tieši ir "Es" un kā tas saņem (nevis tikai - no kurienes saņem) vajadzīgās atmiņas no dendrītu spinu sinapsēm, varēsim sākt domāt par to nolasīšanu. Citiem vārdiem - šobrīd esam atraduši, kur mūsu "cietajā diskā" atrodas datu celiņi, bet vēl neko nezinām ne par sektoriem, ne par kodu, kādā informācija tiek glabāta.

Avots: Guang Yang, Feng Pan, Wen-Biao Gan. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature. Advance online publication 29 November 2009.

Sk. arī:

1) Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007.
2) Мыши-мутанты не становятся наркоманами, «Элементы», 26.05.2008.
3) Нейроны учат друг друга быть внимательными, «Элементы», 22.06.2007.

Aleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.