По мере того, как животные исследуют окружающую среду, они учатся управлять ею. Обнаружив, например, какие звуки обычно предшествуют нападению хищников или какие запахи предсказывают ужин, они развивают своего рода биологическое ясновидение - способ предвидеть, что будет дальше, на основе того, что уже произошло. Теперь ученые Рокфеллера обнаружили, что образование животного зависит не только от того, какой опыт оно приобретает, но и от того, когда оно его приобретает.
Изучая плодовых мушек, исследователи показали, что один и тот же запах может стать либо привлекательным, либо отвратительным для животного, в зависимости от того, когда этот запах встречается по отношению к награде. Исследование, описанное в отчете Cell, также показывает, что животные могут быстро пересматривать эти воспоминания, и показывает, как этот процесс разворачивается на клеточном уровне.
Что было первым?
Память на самом фундаментальном уровне сводится к ряду ассоциаций: позвоните в колокольчик перед кормлением собаки, и, в конце концов, собака научится выделять слюну только при звуке колокольчика.
«В этом случае звонок предшествует еде и, следовательно, предсказывает вознаграждение», - говорит Энни Хэндлер, аспирант лаборатории Ванессы Рута, доцента Габриэль Х. Рим и Герберта Дж. Кайдена.. «Но мы подозревали, что для животных важен не только один порядок событий. Они также должны уметь извлекать смысл из сигналов, которые следуют за вознаграждением».
Например, если собака слышит звонок после окончания трапезы, то у нее должна развиться негативная ассоциация с этим звуком, так как он означает конец еды. Надеясь лучше понять, как время влияет на память, Рута и Хэндлер исследовали мозг и поведение плодовых мушек.
Вместо того, чтобы давать животным вкусные угощения, исследователи использовали метод, называемый оптогенетикой, для стимуляции нейронов, которые обычно активизируются, когда животное получает вознаграждение. Этот подход позволил им точно контролировать время положительной обратной связи. Они обнаружили, что если эти нейроны стимулировать сразу после нейтрального запаха, у мух развивается влечение к этому запаху. И наоборот, если они активировали нейроны непосредственно перед тем, как подвергнуть мух воздействию того же запаха, животные начинали его избегать.
«Разница во времени составляет всего одну-две секунды, а у мух формируются совершенно противоположные ассоциации», - говорит Хэндлер. «Где-то в мозгу эта разница в секунду - до или после поощрения - имеет огромное значение».
То, что у мозга есть чувство времени, может показаться интуитивным; но то, как именно нейроны кодируют последовательность событий на клеточном уровне, далеко не очевидно. Относительно небольшой и простой мозг мухи дает уникальную возможность изучить нейронные цепи, лежащие в основе этого феномена, и именно это и сделали Рута и Хэндлер..
Переделывая воспоминания
Чтобы определить, как мухи различают время событий, исследователи наблюдали за изменениями в области мозга, называемой грибовидным телом. Эта область, известная своим участием в ассоциативном обучении, содержит клетки Кеньона, которые несут сигналы запаха, дофаминовые нейроны, которые несут сигналы вознаграждения, и выходные нейроны, которые регулируют влечение мухи к запаху.
Клетки Кеньона могут быть сильно или слабо связаны с выходными нейронами; а дофамин настраивает силу этих связей или синапсов. Если клетка Кеньона, обнаруживающая специфический запах, образует слабую связь с выходным нейроном, животное привлекает этот запах; однако, если этот синапс станет сильнее, запах станет бессмысленным или даже неприятным для животного. Анализируя этот тип соединения, Рута и Хэндлер определили сигнальный путь, который может усиливать или ослаблять синапсы в зависимости от точного момента, когда дофаминовые нейроны становятся активными.
«Этот путь чувствителен ко времени, поэтому от того, активируется ли дофаминовый нейрон до или после запаха, зависит сила связей между клетками в грибовидном теле», - говорит Рута. «И мы считаем, что это механизм, с помощью которого мозг определяет последовательность событий».
Исследуя этот путь, исследователи также обнаружили, что они могут быстро сделать сильные синапсы слабыми и наоборот, предполагая, что воспоминания могут быть стерты так же быстро, как они сформированы. И когда они проанализировали поведение мух, они обнаружили дополнительные доказательства способности пересматривать ментальные ассоциации.
"Мы провели 50 испытаний. Каждый раз мы меняли время запаха относительно вознаграждения; и каждый раз животное больше или меньше привлекало запах, в зависимости от того, что оно испытало за минуту до этого", - говорит Хэндлер.
Другими словами, даже если муха раньше научилась ассоциировать запах с вознаграждением, она может быстро разучиться, если запах не сможет предсказать вознаграждение в будущих испытаниях. Воспоминания не высечены на камне; скорее, они установлены в синапсах, которые могут модифицироваться по мере изменения окружающей среды и опыта животного. Действительно, этот эксперимент показывает, что выживание зависит не только от способности формировать воспоминания, но и от их забвения.
«Есть так много вещей, которые мы могли бы помнить ежедневно, поэтому мы держимся за воспоминания, которые оказываются предсказательными, и отбрасываем неправильные или не относящиеся к делу ассоциации», - говорит Рута. «Когда вы живете в динамичной среде, как и мухи, и люди, это кажется очень хорошей стратегией».