Когда мозг формирует воспоминания о новом опыте, энграммные клетки кодируют детали и вызывают их в памяти, когда мы пытаемся вспомнить о каком-либо прошлом событии. Ученые из США впервые показали, как активируются различные гены и что за эпигенетический механизм лежит в основе различных волн экспрессии генов.
Энграммные клетки находятся в гиппокампе и других частях мозга. Ряд недавних исследований показал, что эти клетки формируют сети, связанные с определенными воспоминаниями, и эти сети активируются, когда воспоминание вновь вызывают в памяти. Однако, молекулярный механизм этого процесса ученые понимают не до конца.
Нейробиологи знают, что на самой первой стадии формирования памяти так называемые непосредственно ранние гены превращаются в энграммные клетки, но вскоре снова возвращаются к нормальному уровню активности. Ученые из MIT хотели понять, что происходит в процессе координации долгосрочного хранения воспоминаний. Они предположили, что эти волны могут контролироваться эпигенетическими модификациями, то есть химическими изменениями хроматина, сообщает MIT News.
Для этого они использовали генетически измененных мышей, у которых энграммные клетки в гиппокампе были помечены флуоресцентным белком. Они получали слабый удар током, который грызуны научились ассоциировать с клеткой, где это происходило. Когда воспоминания оформлялись, клетки гиппокампа начинали светиться.
Отслеживая светящиеся нейроны, ученые наблюдали, как в самую первую стадию после формирования воспоминания многие регионы ДНК претерпевали изменения хроматина. В них он становился менее плотным, а ДНК — более доступной. К удивлению исследователей, почти все эти регионы находились в участках ДНК, где не было генов. Эти участки содержали некодирующие последовательности — энхансеры. На этой стадии изменения хроматина не оказывали никакого эффекта на экспрессию генов.
Затем ученые проанализировали энграммные клетки через пять дней после формирования памяти. Оказалось, что воспоминания усилились, а трехмерная структура хроматина изменилась. Экспрессии генов все еще не было, но подготовка к ней шла.
Затем ученые вернули мышей в клетку, где их били током, чтобы реактивировать воспоминания. У этих животных произошел всплеск экспрессии генов, многие из которых участвуют в синтезе белков у синапсов, помогая нейронам укреплять связи с другими нейронами. Также ученые обнаружили, что у нейронных дендритов появляется больше отростков, что также указывает на укрепление связей.
«Это первое исследование, которое показывает на молекулярном уровне, что эпигеном может быть подготовлен к использованию. Сначала нужно подготовить энхансеры, но их готовности недостаточно. Нужно, чтобы эти регионы физически взаимодействовали с генами, это вторая фаза, — пояснил Асаф Марко, ведущий автор статьи. — Теперь мы понимаем, что трехмерная архитектура генома играет очень важную роль в координации экспрессии генов».
Израильские ученые уточнили роль процесса синхронной активации нейронов в гиппокампе приматов, включая человека. Авторы смогли доказать, что пульсации в двух этих отделах мозга синхронизированы. В первую очередь всплески активности нейронов гиппокампа отражались в зрительной коре.