2 Августа 2018

Гипокампальный Нейрогенез регулирует забывание во время взрослой жизни и младенчества

Опубликовал Н.А. Рыков

      На протяжении всей жизни новые нейроны постоянно добавляются к зубчатой ​​извилине.  Поскольку это непрерывное дополнение реконструирует схемы гиппокампа, вычислительные модели предсказывают, что нейрогенез приводит к деградации или забыванию установленных воспоминаний.  В соответствии с этим увеличение нейрогенеза после образования памяти было достаточным, чтобы вызвать забывание у взрослых мышей.  В отличие от этого, в младенчестве, когда уровни нейрогенеза гиппокампа высоки, и свежеприготовленные воспоминания, как правило, быстро забываются (инфантильная амнезия), уменьшая нейрогенез после того, как формирование памяти смягчило забывание.  У предшествовавших видов, включая морских свинок и дегу, большинство клеток гранулы образуются пренатально.  В соответствии с уменьшенными уровнями послеродового нейрогенеза гиппокампа, младенческие морские свинки и дегу не проявляли забывания.  Однако увеличение нейрогенеза после образования памяти вызвало инфантильную амнезию у этих видов.

      Как в искусственных системах, так и в мозговых сетях существует компромисс между пластичностью - возможностью включать новую информацию и стабильность, гарантируя, что процесс включения новой информации не ухудшает информацию, уже сохраненную в этой сети.  В гиппокампе новые нейроны продолжают вырабатываться в субгранулярной зоне зубчатой ​​извилины за пределами развития и во взрослую жизнь.  Эти новые нейроны синфанически интегрируются в схемы гиппокампа и обеспечивают потенциальные субстраты для нового обучения.  Продвижение производства новых нейронов у взрослых мышей способствует формированию новых воспоминаний гиппокампа.  Однако непрерывная интеграция новых нейронов может влиять на память, уже сохраненную в этих цепях.  По мере того, как новые нейроны интегрируются в гиппокамп, они конкурируют с существующими ячейками для входов и выходов, устанавливая новые синаптические соединения, которые могут сосуществовать или даже заменять старые синаптические соединения.  Поскольку такое ремоделирование обязательно изменяет конфигурацию схем DG-CA3 и, вероятно, изменяет синаптические веса существующих соединений, вычислительные модели прогнозируют, что высокие уровни нейрогенеза гиппокампа приведут к забыванию информации, уже сохраненной в этих цепях. 

      Несмотря на то, что нейрогенез гиппокампа сохраняется на протяжении всей жизни, с возрастом ставки резко снижаются.  Таким образом, это предсказанное заново забытое восстановление, вызванное ремоделированием, должно быть наиболее выраженным в младенчестве, когда нейрогенез гиппокампа высок.  В соответствии с этим инфантильное забывание или инфантильная амнезия наблюдается у широкого круга видов, включая людей.  Нейробиологические данные инфантильной амнезии ранее подчеркивали, что продолжение созревания мозга может мешать консолидации и / или хранению детских воспоминаний, что делает их недоступными в более поздние моменты времени.  Здесь мы проверяем, модулирует ли послеродовый нейрогенез гиппокампа, в частности, онтогенетические изменения в сохранении памяти.

Обратная связь между уровнями постнатального нейрогенеза и сохранением памяти

      Сперва мы охарактеризовали уровни нейрогенеза гиппокампа у новорождённых и взрослых мышей с использованием ретровируса, выражающего зеленый флуоресцентный белок (GFP), для маркировки нейронных предшественников, их потомства и иммуногистохимии.  Через четыре недели после ретровирусных микроинъекций у мышей младенцев и взрослых мы наблюдали выраженное возрастающее снижение нейрогенеза (то есть уменьшение количества гранул GFP + DG и их терминальных процессов в области CA3).  От младенчества до взрослой жизни было также уменьшено количество пролиферирующих (Ki67 +) клеток и незрелых (двойных кортин + + DCX +) нейронов.  Постепенно сгенерированные клетки гранул DG продуцируют мшистые волокна, которые достигают области CA3 через 2 недели, контактируя с 11-15 пирамидальными клетками.  Мы наблюдали уменьшение числа незрелых (DCX +) крупных мшистых волоконных терминалов (LMT) в области CA3 взрослых мышей, что согласуется с прогнозируемым снижением синаптических перестроек в CA3 с возрастом.

      Затем мы оценили, как зависящие от возраста изменения в нейрогенезе влияют на способность формировать устойчивые воспоминания, связанные с гиппокампом, используя контекстуальную парадигму кондиционирования страха.  Младенческие и взрослые мыши были помещены в новый контекст и представлены с рядом ударов ноги.  Через 28 дней отдельные группы мышей были возвращены в контекст, а сохранение памяти оценивали путем измерения поведения заморозки.  Мыши, обученные как взрослые, застыли, несмотря на задержку удержания.  Напротив, мыши, прошедшие обучение в качестве младенцев, демонстрировали высокий уровень замерзания при испытании через 1 день после тренировки.  Если бы мышей-младенцев испытывали при более длительных задержках, наблюдалось меньшее замерзание.  Младенческие мыши, обученные аналогичным образом, но не шокированные, показали небольшое замерзание при испытании через 1 день после тренировки, что указывает на то, что замерзание, наблюдаемое у шокированных младенцев, отражает условный страх.  Не было возрастных различий в реакции на ступни, что указывало на то, что забывание у младенческих мышей не было связано с уменьшением ноцицепции.  Эта схема ускоренного забывания у младенческих мышей была воспроизведена с использованием парадигмы случайного контекста.

Увеличение Нейрогенеза способствует забыванию у взрослых мышей

      Чтобы определить, являются ли уровни нейрогенеза и сохранности памяти причинно связанными, мы проверили, увеличивает ли нейрогенез гиппокампа после обучения забывание у взрослых мышей.  Первоначально мы использовали добровольный бег, натуралистическое вмешательство, которое устойчиво увеличивает нейрогенез.

      Чтобы выяснить, вызывает ли бег повышение гиппокампального ремоделированого забывания установленной памяти, зависящей от гиппокампа, мы тренировали взрослых мышей при обучении контекстуального исхода.  После тренировки мышам был предоставлен непрерывный доступ к бегущему колесу в их домашней клетке или размещен традиционно. Бег увеличил нейрогенез в DG и уменьшил контекст памяти страха, когда мыши были протестированы через 6 недель.  Доступ к заблокированному колесу не вызывал забывания, указывая, что забывание было связано с бегом, а не с воздействием на новый объект в домашней клетке.  Кроме того, после более сильного тренировочного протокола уменьшилось забывание памяти о страхе, что указывает на то, что степень забывания частично зависит от первоначальной силы памяти.

      Поскольку добровольный бег вызывает несколько нейронных и физиологических изменений, помимо увеличения гиппокампального нейрогенеза, забывание может быть альтернативно опосредовано этими не нейрогенными изменениями.  Поэтому мы сначала изучили влияние бега перед тренировкой (а не после).  Бег перед тренировкой также увеличивал нейрогенез, но не влиял на приобретение памяти контекстного страха, указывая на то, что бег не специально меняет замораживание (например, уменьшая беспокойство). 

      Во-вторых, мы проверили, предотвратит ли предотвращение индуцированного бегом увеличения нейрогенеза, чтобы предотвратить забывание с использованием трансгенных мышей, в которых промотор / усилитель нестина стимулирует экспрессию гена модифицированного вируса простого герпеса (HSV), кодирующего тимидинкиназу (HSV-tk) (мыши TK +).  У мышей TK + введение ганцикловира (GAN) аблятов делят только клетки, экспрессирующие tk-трансген.  Мышей TK + и их однопометников с диким типом (WT) обучали в условиях условного обуздания страха, а затем давали доступ к колесику или размещали традиционно в течение 6 недель.  В течение этого периода мышей обрабатывали GAN для подавления нейрогенеза.  Обработка GAN у мышей TK + ограничивала вызванное бегом увеличение нейрогенеза до уровней сидячего уровня WT и предотвращала забывание. 

      Наконец, бег также вызвал забывание о других зависимых от гиппокампа воспоминаниях.  Однако бег не вызывал забывания условной памяти отвращения вкуса, которая не зависит от гиппокампа.

Уменьшение нейрогенеза увеличивает постоянство памяти у младенческих мышей

      Используя генетические и фармакологические стратегии, мы в дальнейшем рассмотрели, уменьшает ли снижение нейрогенеза забывание, обычно наблюдаемое у младенческих мышей.  Чтобы генетически подавить нейрогенез, мы вводили GAN младенцам мышей TK + и WT.  Обработка GAN уменьшала количество пролиферирующих (Ki67 +) клеток и незрелых (DCX +) нейронов в DG мышей TK + по сравнению с однопометниками WT.  При тестировании через 1 день после условного кондиционирования страха мыши WT и TK + демонстрировали эквивалентные уровни замерзания, что указывает на нормальную память при этой короткой задержке хранения.  Однако, когда отдельные группы мышей тестировали через 7 дней после тренировки, мыши TK + замерли больше, чем мыши WT, а уровни замораживания обратно коррелировали с уровнями нейрогенеза.  Обработанные GAN мыши WT и TK +, обученные без шока, показали небольшое замерзание при испытании через 7 дней после тренировки.  Эти низкие уровни замораживания были аналогичны тем, которые наблюдались у пораженных мышей WT, что указывает на существенное забывание у WT, но не у мышей TK +.  Кроме того, отсутствие замораживания у не шокированных мышей TK + предполагает, что подавление нейрогенеза (или лечения GAN) не просто увеличивает склонность к замораживанию.

      Используя темозоломид (TMZ), алкилирующий агент ДНК, чтобы фармакологически уменьшить нейрогенез гиппокампа у мышей младенца WT, мы наблюдали подобное ослабление забывания в парадигме изучения случайного контекста. Мышей младенцец предрасполагали к контексту, а затем обрабатывали ТМЗ или носителем в течение 4 недель.  Обработка ТМЗ подавляла нейрогенез и улучшала сохранение контекстно-зависимой памяти, и наблюдалась обратная связь между нейрогенезом гиппокампа и замораживанием.  Однако лечение ТМЗ не уменьшало пороговое значение для замораживания, поскольку аналогичное лечение ТМЗ до обучения не меняло уровней замораживания.  В младенчестве высокие уровни пролиферации связаны с высоким уровнем апоптотической гибели клеток в субгранулярной зоне.  Однако пост-тренировочное фармакологическое торможение клеточной смерти само по себе не ослабило забывание.

Обсуждение

      Гиппокамп кодирует воспоминания о местах и ​​событиях.  Наблюдение, что гиппокампальный нейрогенез сохраняется во взрослую жизнь, привело к мысли, что нейрогенез модулирует функцию памяти гиппокампа.  Насколько нам известно, все предыдущие исследования, изучающие взаимосвязь между нейрогенезом гиппокампа и памятью, использовали по существу ту же самую конструкцию; они манипулировали гиппокампальным нейрогенезом перед тренировкой и изучали влияние этой манипуляции на последующее формирование памяти (т. е. исследовали эффекты антерографа при манипулировании нейрогенезом на память).  Взгляд, который возник из этих исследований, состоит в том, что к моменту зрелости, новые нейроны положительно влияют на кодирование новых зависимых от гиппокампа воспоминаний, возможно, путем предоставления новых субстратов для хранения памяти.  Здесь мы рассмотрели ретроградное воздействие подобных манипуляций с нейрогенезом на память.  Посредством серии исследований мы показали, что высокие уровни нейрогенеза нарушают установленную память, зависящую от гиппокампа.  Таким образом, наши результаты показывают новую роль для нейрогенеза в забывании или в памяти, в соответствии с теоретическими предсказаниями.

      Считается, что гиппокамп быстро и автоматически кодирует переживания.  Поскольку, в конце концов, не все переживания запоминаются, вероятно, что процессы забывания непрерывно деградируют или очищают сохраненную информацию от гиппокампа.  Наши результаты идентифицируют нейрогенез как один такой процесс, который способствует деградации зависимых от гиппокампа воспоминаний, скорее всего, путем перенастройки схем DG-CA3.  Успешное извлечение памяти может возникнуть в результате реактивации паттернов нейронной активности, присутствующих во время кодирования памяти (то есть, завершения шаблона).  Поскольку нейрогенез реконфигурирует схемы гиппокампа, это может уменьшить способность заданного набора сигналов (или входных сигналов) для повторного запуска одного и того же шаблона активности (то есть сбой завершения шаблона).  В младенчестве, когда уровни нейрогенеза повышены, высокие темпы разложения создают зависимые от гиппокампа воспоминания [которые являются декларативными и по своей природе недоступными в более поздние моменты времени].  Снижение нейрогенеза на этой стадии развития может увеличить стойкость зависимых от гиппокампа воспоминаний.  В зрелом возрасте, когда уровни нейрогенеза ниже, воспоминания более устойчивы к распаду.  Однако искусственного увеличения нейрогенеза после обучения может быть достаточно, чтобы вызвать забвение.