Щоб короткочасна пам'ять перетворилася на довготривалу, в мозку повинні утворитися нові міжнейронні контакти, а формування таких контактів найкраще відбувається під час сонної активності нервових клітин.
Перетворення короткочасної пам'яті в довготривалу називають консолідацією пам'яті, і нейробіологи старанно намагаються з'ясувати, як і чому це відбувається. Досить давно вдалося з'ясувати, що консолідація пам'яті дуже добре йде під час сну. Тобто, щоб запам'ятати прочитаний перед іспитом підручник, потрібно поспати, тоді інформація, що називається, вляжеться в голові, тобто перейде в довготривале сховище. Доказів зв'язку між сном і пам'яттю досить багато. Наприклад, дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді виявили, що снодійні препарати не тільки нормалізують сон, а й покращують пам'ять. А їхні колеги з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі змогли описати інформаційні процеси в мозку, які пов'язані з консолідацією пам'яті під час сну.
Те, що такий важливий процес відбувається саме уві сні, не дивно: адже давно вже всі знають, що сон - лише інша форма активності мозку. Вважається, що специфічні нейронні імпульси, «сонні» хвилі мозку пов'язані в тому числі і з тим, що наша нервова система займається сортуванням отриманої днем інформації, поки зовнішні сигнали не заважають. Але ось як при цьому поводяться нейрони, які клітинні та молекулярні механізми тут задіяні, біологам довгий час з'ясувати не виходило.
Щоб дізнатися, що ж відбувається з нейронами під час консолідації пам'яті, Вень-Бяо Гань (Wen-Biao Gan) і його співробітники з Нью-Йоркського університету створили генетично модифіковану мишу, у якої в нейронах моторної кори синтезувався флуоресцентний білок. З його допомогою можна було спостерігати за змінами в нервових клітинах, наприклад, де і коли утворюються дендритні шипики, особливі вирости на дендритних відростках нервових клітин. Поява шипіка говорить про те, що в цьому місці нейрон готовий створити контакт з іншим нейроном, іншими словами, шипік передує синапсу. Завдяки синапсам утворюються нейронні ланцюги, які потрібні для запам'ятовування інформації. Коли ми, наприклад, вчимося їздити на велосипеді, у нас в мозку складаються нові нервові ланцюги, які виникли у відповідь на необхідність по-новому координувати м'язові зусилля. Потім, коли ми знову сідаємо на велосипед, ці нервові ланцюги знову вмикаються - якщо, звичайно, вони з якоїсь причини не розпалися, якщо синапси між нейронами не зникли. Повертаючись до дендритних шипиків, можна сказати, що вони свідчать про реакцію нейрона на нову інформацію і про готовність її запам'ятати.
Власне, мишам в експерименті влаштували теж щось на зразок велосипеда: тварини повинні були зберігати рівновагу на палиці, яка оберталася все швидше і швидше. З часом миші запам'ятовували, що потрібно робити, і вже не падали з неї. При цьому у нейронів моторної кори з'являлися ті самі дендритні вирости - клітини розуміли, що новий стимул важливий для організму і готувалися сформувати нові ланцюги. Тоді дослідники змінили умови досвіду: мишей тренували на палиці, що повертається, одну годину, але потім одних тварин відправляли спати на сім годин, а інші повинні були такий же час пильнувати. Виявилося, що у тих мишей, яким дозволили поспати, дендритні шипики росли активніше. Іншими словами, сон допомагав нервовим клітинам налаштуватися на запам'ятовування нової інформації.
Більше того, характер появи дендритних виростів залежав від того, яку саме вправу потрібно було виконати. Наприклад, якщо миша повинна була йти по палиці, що обертається в один бік, то шипіки виникали на одних дендритах, а якщо потрібно було йти в інший бік, то шипики з'являлися на інших дендритах. Тобто клітинна морфологія нейронних відростків залежала від того, що за інформацію потрібно було обробити.
Нарешті, нейробіологам вдалося показати, що клітини моторної кори, від яких залежало виконання вправи, активувалися під час повільно-хвильової фази сну. Така активація уві сні була важлива для формування горезвісних шипиків: якщо «сонну» активність клітин придушували, то шипіки не формувалися. Це було схоже на те, як якби мозок знову прокручував для себе те, що він повинен був недавно виконувати під час бадьорювання - прокручував, щоб краще запам'ятати.
У підсумку вийшла така схема: нейрони під час пильнування отримують якийсь стимул або виконують якусь процедуру, потім під час сну ці клітини знову активуються, і така повторна активація стимулює клітинні перебудови, що сприяють довготривалому запам'ятовуванню стимулу. Те, що все саме так і відбувається, нейробіологи припускали давно, проте зараз вдалося отримати саме експериментальне підтвердження, і не на якихось дрозофілах, а на мозку ссавців. Хоча, звичайно, тепер вченим потрібно з'ясовувати, які молекулярні процеси тут задіяні, що за гени і білки керують збільшенням дендритних шипиків під час сну, які сигнальні шляхи тут працюють і т. д.
До слова, про дрозофіли: кілька років тому дослідники з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі та Університету Вісконсіна в Мадісоні ставили схожі експерименти з плодовими мушками, і тоді результати говорили про те ж - що сон необхідний для консолідації пам'яті. Однак при цьому нейробіологи спостерігали очищення мозку дрозофіл від синапсів, тобто відбувалося щось на зразок редакції нервових контурів, очищення нейронів від непотрібних зв'язків, які забирали б ресурси від потрібних контактів. Швидше за все, таке усунення непотрібних синапсів не є специфічним процес, властивий одним лише комахам (або членистоногим, або безхребетним), і в мозку вищих тварин у момент «сонного» закріплення пам'яті поряд з формуванням нових синапсів відбувається і розрив старих - залишилося тільки побачити це в експерименті.