Нейробиология мадленки. Как мозг формирует воспоминания и делит их на хорошие и плохие

Допустим, вы отправились в самое главное путешествие в своей жизни — поехали в Кению на сафари. Вы едете по саванне, справа от вас слоны, слева — львы. Спустя годы вы заходите в цветочный магазин в своем родном городе и ощущаете запах, похожий на запах цветущей хурмы из кенийской саванны. Когда вы закрываете глаза, магазин исчезает, и вы снова оказываетесь в «Лендровере». Глубоко вздохнув, вы улыбаетесь приятному воспоминанию.

Теперь давайте перемотаем назад. Вы отправились в самое главное путешествие своей жизни — поехали в Кению на сафари. Вы едете по саванне, справа от вас слоны, слева — львы. Краем глаза вы замечаете носорога. Внезапно он направляется в сторону вашего автомобиля, и гид кричит водителю, чтобы тот нажал на газ. У вас стучит в висках, вы думаете: «Вот как я умру». Годы спустя, когда вы заходите в цветочный магазин, сладкий цветочный аромат заставляет вас содрогнуться.

«Ваш мозг, по сути, связывает запах с положительными или отрицательными чувствами», — говорит Хао Ли, исследователь из Института биологических исследований Солка в Калифорнии.

И эти чувства не просто каким-то образом связаны с памятью, они — ее часть: фиксируя информацию, мозг присваивает ей эмоциональную «валентность», и переживания остаются с нами в виде хороших или плохих воспоминаний.

И теперь мы знаем, как именно мозг это делает. Ли и его команда не так давно рассказали в журнале Nature, что разница между воспоминаниями, вызывающими улыбку, и воспоминаниями, вызывающими дрожь, определяется небольшой пептидной молекулой, известной как нейротензин.

Они обнаружили, что пока мозг оценивает всё новые и новые переживания, нейроны регулируют высвобождение нейротензина, в зависимости от уровня которого информация превращается либо в положительное, либо в отрицательное воспоминание.

Благодаря этому процессу мы можем испытывать страх перед своими собственными воспоминаниями — возможно, это помогало нашим предкам сохранять осторожность.

Полученные командой Ли результаты «дают нам представление о том, как мы справляемся с противоречивыми эмоциями, — объясняет Томас Райан, нейробиолог из Дублинского Тринити-колледжа. — Это действительно бросило вызов моим представления о том, насколько далеко мы можем продвинуться в понимании молекулярного устройства мозга».

Теперь перед нами открыты новые возможности для изучения биологических основ тревоги, зависимости и других психоневрологических состояний, которые могут возникать, когда сбои в устройстве мозга приводят к «слишком большой негативной обработке», говорит Ли. Теоретически, воздействие на мозг с помощью новых лекарств могло бы стать одним из путей лечения подобных состояний.

«Это действительно экстраординарное исследование, которое окажет глубокое влияние на представления психиатров о страхе и тревоге», — говорит Вэнь Ли, специалистка по биологии тревожных расстройств и адъюнкт-профессор Университета штата Флорида.

Нейробиологи до сих пор весьма смутно понимают и то, как воспоминание формируется, и то, как оно пропадает из памяти. Присвоение той или иной валентности, тем не менее, рассматривается как важная часть процесса формирования эмоционально заряженных воспоминаний.

Способность мозга записывать сигналы окружающей среды и переживания в виде хороших или плохих воспоминаний имеет решающее значение для выживания. Если после употребления ягоды нас сильно тошнит, мы инстинктивно избегаем этой ягоды и всего, что на нее похоже. Если употребление ягоды приносит удовлетворение, нам захочется еще. «Чтобы иметь возможность спросить себя, следует ли приближаться к объекту или избегать его, вы должны знать, вреден он или полезен», — говорит Хао Ли.

Воспоминания, которые связывают разрозненные идеи, такие как «ягода», «болезнь» и «наслаждение», называются ассоциативными воспоминаниями, и они часто имеют сильный эмоциональный заряд.

Они формируются в крошечной области мозга, называемой миндалевидным телом. Хотя последнее широко известно как «центр страха», оно также реагирует на удовольствие и другие эмоции.

Одна часть миндалины, базолатеральный комплекс, связывает стимулы в окружающей среде с положительными или отрицательными переживаниями. Однако было неясно, как именно это происходит — пока несколько лет назад группа ученых из Массачусетского технологического института во главе с нейробиологом Кей Тай не обнаружила нечто замечательное в базолатеральной миндалине мышей. Они написали об этом в Nature в 2015 году и в Neuron в 2016 году.

Тай и ее команда исследовали базолатеральную миндалину мышей, которые учились ассоциировать звук либо с сахарной водой, либо с легким электрическим током, и обнаружили, что связи миндалины с другой группой нейронов усиливались в обоих случаях. Когда они позже снова включили мышам этот звук, нейроны, которые были усилены заученным вознаграждением или наказанием, стали более активными, чем продемонстрировали свое участие в процессе ассоциации.

Но команда Тай не смогла установить, что именно направляло информацию к нужной группе нейронов. Что же в таком случае играло роль коммутатора?

Проще всего было бы предположить, что за это ответственен дофамин, нейромедиатор, который, как известно, выделяется в процессе обучения. Но исследование 2019 года показало, что, хотя эта молекула «хорошего самочувствия» может придавать воспоминанию эмоциональную окраску, она не способна присвоить эмоции положительное или отрицательное значение.

После этого команда начала изучать гены в двух областях мозга, где формируются положительные и отрицательные воспоминания. В конце концов ученые обратили внимание на нейропептиды, небольшие многофункциональные белки, которые могут медленно и неуклонно укреплять синаптические связи между нейронами. Они увидели, что один набор нейронов миндалины имеет больше рецепторов для нейротензина, чем другой.

Это открытие обнадеживало, поскольку ранее было установлено, что нейротензин, молекула длиной всего тринадцать аминокислот, участвует в обработке информации, маркируя ее как связанную с вознаграждением или наказанием, в том числе — как вызывающую страх. Команда Тай задалась целью узнать, что произойдет, если они изменят количество нейротензина в мозге мышей.

За этим последовали годы хирургических и генетических манипуляций с нейронами маленьких пушистых зверьков и постоянные наблюдения за их поведением.

«К моменту, когда я защитил докторскую диссертацию, я провел по меньшей мере тысячу операций», — сказал Пранит Намбури, автор обеих статей и руководитель исследования 2015 года.

Исследователи знали, что нейроны в миндалине не вырабатывают нейротензин, поэтому сначала им нужно было выяснить, откуда берется пептид. Когда они сканировали мозг, они обнаружили в таламусе нейроны, которые вырабатывали много нейротензина, и направили свои длинные аксоны в миндалину.

Затем команда Тай научила мышей ассоциировать звук либо с угощением, либо с шоком. Они обнаружили, что уровень нейротензина в миндалине повышался после обучения вознаграждению и снижался после обучения наказанию. Генетически изменяя таламические нейроны мышей, ученые в конце концов смогли взять выбросы нейротензина под контроль. Активация нейронов, которые выделяли нейротензин в миндалину, способствовала обучению вознаграждению, в то время как отключение генов нейротензина ускоряло обучение наказанию.

Также исследователи обнаружили, что присвоение валентности сигналам, поступающим из окружающей среды, способствует активным поведенческим реакциям на них. Когда ученые, отключая нейроны таламуса, мешали миндалине получать информацию о положительной или отрицательной валентности, мыши медленнее достигали удовлетворения, а в угрожающих ситуациях мыши замирали, а не убегали.

Итак, что, в соответствии с установленными выше закономерностями, произошло бы, если бы ваша система распределения валентностей вышла из строя в то время, когда на вас бы напал разъяренный носорог?

«Вам было бы просто немного не всё равно, — говорит Тай. — Ваше безразличие было бы зафиксировано в памяти. И если бы вы позже оказались в подобной ситуации, ваша память уже не побудила бы вас убегать как можно скорее».

Однако вероятность того, что вся мозговая цепь, отвечающая за страх и удовольствие, отключится, невелика, утверждает Джеффри Таскер, профессор института мозга при Университете Тулейна. Более вероятно, что мутации или другие проблемы скорее могут помешать механизму нормально работать, но вряд ли могут сделать воспоминания абсолютно нейтральными.

«Мне трудно представить ситуацию, когда кто-то принял бы прыжок тигра за проявление любви», — делится он.

Хао Ли согласился и отметил, что в мозге, вероятно, есть резервные механизмы, которые выработаны для усиления поощрения и наказания, даже если первичная валентная система выйдет из строя.

Таскер же отмечает, что изучить дефекты в системе валентности памяти можно, исследовав тех немногих аномальных счастливцев, которые не чувствуют страха даже в самых опасных ситуациях. Подобный эффект возникает в результате травм и заболеваний, таких как синдром Урбаха-Вите, приводящий к отложениям кальция в миндалине, что ослабляет реакцию страха.

Полученные учеными результаты «довольно значительно продвинули наше понимание роли миндалин», — говорит Вэнь Ли. Мы больше узнали о таких химических веществах, как, например, нейротензин, который менее известен, чем дофамин, но играет решающую роль в работе мозга.

По словам Хао Ли, это открытие показало, что мозг, вероятно, по умолчанию настроен пессимистично. Он должен вырабатывать и высвобождать нейротензин, чтобы глубже прочувствовать вознаграждения и радость, в то время выработка негативных эмоций требует меньше усилий.

На это указывает и поведение мышей, оказавшихся в незнакомой ситуации. Прежде чем мыши узнали, будут ли новые ассоциации положительными или отрицательными, высвобождение нейротензина из их таламических нейронов уменьшилось. Исследователи предполагают, что новым стимулам автоматически присваивается более негативная валентность до тех пор, пока их контекст не станет более определенным — и, тогда, возможно эта негативность будет компенсирована.

«Мы более восприимчивы к негативному опыту, чем к позитивному», — считает Хао Ли.

Если вас чуть не сбила машина, вы, вероятно, будете помнить это очень долго, но если вы съедите что-нибудь вкусное, это воспоминание, скорее всего, исчезнет через несколько дней.

Райан более осторожно относится к распространению таких выводов на человеческую психику.

«Мы имеем дело с лабораторными мышами, которые растут в очень ограниченных условиях и имеют очень специфическое генетическое происхождение», — говорит он.

Тем не менее, по его словам, было бы интересно определить в будущих экспериментах, является ли страх фактическим состоянием человеческого мозга по умолчанию — и варьируется ли это у разных видов или даже у индивидуумов с разным жизненным опытом и уровнем стресса.

Полученные результаты также являются отличным примером того, насколько плотно части мозга связаны между собой, сказал Вэнь Ли: миндалевидное тело нуждается в таламусе, а таламус, вероятно, нуждается в сигналах из других мест. По ее словам, теперь необходимо понять, какие нейроны в мозге подают сигналы в таламус.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что одно воспоминание о страхе может быть закодировано более чем в одной области мозга. Какие именно схемы будут задействованы, зависит, вероятно, от памяти. Например, нейротензин, по всей видимости, менее важен для кодирования воспоминаний, с которыми не связано много эмоций — таковы «декларативные» воспоминания, которые формируются, когда вы изучаете словарный запас.

Таскер очень впечатлила четкая взаимосвязь между отдельной молекулой, функцией и поведением, которую обнаружил Тай.

«Редко можно найти однозначную связь между сигналом и поведением или схемой и функцией», — рассказывает Таскер.

Четкость ролей нейротензина и таламических нейронов в распределении валентности может сделать их идеальными мишенями для лекарств, направленных на лечение нервно-психических расстройств. Теоретически, если вы сможете исправить распределение валентности, вы сможете вылечить болезнь, предполагает Хао Ли.

Неясно, смогут ли терапевтические препараты, нацеленные на нейротензин, изменить валентность уже сформированной памяти. Но надежда есть, говорит Намбури.

С фармакологической точки зрения это будет нелегко.

«С пептидами, как известно, трудно работать, — считает Таскер, — поскольку они не преодолевают гематоэнцефалический барьер, изолирующий мозг от посторонних веществ и колебаний химического состава крови. Но это и не невозможно, так что разработка таргетных лекарств — то, к чему определенная область фармакологии движется семимильными шагами».

Мы до сих пор не вполне понимаем, как мозг распределяет валентность. Например, неясно, с какими рецепторами нейротензин связывается в нейронах миндалины, чтобы переключить валентность.

«Это будет беспокоить меня, пока мы всё не выясним», — делится Тай.

Также слишком мало еще известно о том, как проблемные задачи могут вызывать тревогу, зависимость или депрессию, говорит Хао Ли, который недавно был назначен доцентом Северо-западного университета и планирует продолжить изучение некоторых из этих вопросов в своей новой лаборатории. По словам Хао Ли, помимо нейротензина, в мозге есть много других нейропептидов, которые являются потенциальными мишенями для воздействия. Просто мы пока не знаем, за что они отвечают. Также было бы любопытно узнать, как мозг отреагировал бы на более двусмысленную ситуацию, в которой трудно однозначно сказать, был ли опыт хорошим или плохим.

Эти вопросы беспокоят мозг Хао Ли еще долго после того, как он собирает вещи и уходит домой. Теперь, когда он знает, какая сеть болтливых клеток в его мозгу управляет эмоциями, которые он испытывает, он шутит с друзьями о том, что его мозг вырабатывает нейротензин или сдерживает его в ответ на каждую хорошую или плохую новость.

«Ясно, что это биология, это случается с каждым, — говорит он. — И это заставляет меня чувствовать себя лучше, когда я в плохом настроении».