Продолжаем разговор о памяти, развивая идеи, заложенные в посте “В начале была РНК…”

Продолжаем разговор о памяти, развивая идеи, заложенные в посте “В начале была РНК…”. Итак, перебирая претендентов на роль “молекул памяти” исследователи потихонечку стали догадываться, что на самом деле подобный поиск может завести в тупик, поскольку придётся ограничиться лишь одним набором процессов. Тут тебе либо ДНК/РНК, либо белки (или другие молекулы), либо сами клетки. А ведь ещё существовали (да что там - наличествуют до сих пор) невероятные гипотезы о том, что цитоскелет (система внутренних подпорок и транспортных магистралей клетки) может видоизменяться под воздействием приобретаемого опыта (кстати, в некотором смысле так и происходит, но это скорее процесс вторичный). И вот, мол, эти ультратонкие структуры внутри клетки и есть основа памяти. Они же динамично перестраиваются, разбираются и собираются. Вот чем вам не память. Но скажу сразу, чтобы не было слишком много разговоров – уж слишком динамично они меняют свою конфигурацию эти микротрубочки цитоскелета. К сожалению, мы бы тогда всё слишком быстро забывали. Поэтому учёные сосредоточились на том, что ИЗМЕНЯЕТСЯ под ВОЗДЕЙСТВИЕМ полученного ОПЫТА, но не так быстро и динамично, как цитоскелет клетки.

И в итоге пришли к выводу о том, что в запоминании новой информации работают и ГЕНЫ нервных клеток и БЕЛКИ!

Память напрямую связана с обучением. Во время обучения происходит модификация поведения. В противном случае обучение в эволюционном аспекте бессмысленно. Нашим предкам было крайне важно запомнить деревья, около которых много хищников и обходить их стороной или, напротив, же хорошенько разузнать местность с большим количеством пищи и заглядывать туда почаще.

Мы чуть-чуть с вами говорили о том, что клетки собираются в сети, являющиеся вычислительными модулями нервной системы. Иногда сети могут собираться из миллионов нервных клеток, а, иногда из нескольких. В последнем случае сети называют цепочками, обеспечивающими несложные реакции. Простейшая трёхчленная цепочка = рефлекторная дуга организует мышечные реакции в спинном мозге. Она срабатывает, когда нужно быстро среагировать на внешнее раздражение – отдёрнуть руку от горячего чайника или утюга. И состоит эта цепочка из чувствительного нейрона (который среагировал на горячее), вставочного (=интернейрона) и двигательного нейрона, который подаст сигнал мышце сократиться и убрать руку.

Мы очень хорошо сегодня понимаем тонкую нейрофизиологию происходящего в чувствительном нейроне, довольно неплохо себе представляем, как работают двигательные нейроны, а вот что делают эти самые вставочные интернейроны никто до конца не понимает. А между тем в нервной системе их почти 80 %. Получается, что больше, чем наполовину нейрофизиология мозга нам пока неясна. И похоже, что вот эти самые вставочные нейроны играют важнейшую роль в обучении и памяти. Но важно также принять тот факт, что все нейроны в мозге связаны друг с другом через те или иные переключения, поэтому разделение на цепочки и сети весьма условно. Считается, что между двумя даже самыми далеко разнесёнными в мозге нейронами не более 5 переключений в синапсах. И вот главная задача современной нейронауки – понять как вот это всё слаженно работает таким образом, что мы можем воспринимать наш мир, чувствовать его, обдумывать, измышлять и запоминать.

Человек довольно сложный объект для изучения, его, например, нельзя разжижить и полученный гомогенат потом хорошенько встрясти в центрифуге. Поэтому биологи исследуют объекты попроще – тех же моллюсков.

Надо понимать, что принципы работы нейронов у них точно такие же, как и у человека. И вот собственно группа исследователей под руководством Эрика Кандела в 1960-1990-е долго-долго изучала моллюска вида Морские зайцы (Aplysia) и обнаружила удивительную вещь – для запоминания достаточно всего трёх нейронов.

Из классических работ Эббингауза было известно, что у памяти можно выделить две глобальные фазы: краткосрочная (секунды-минуты) и долговременная (месяцы, годы). Таким образом память переходит из неустойчивого (воспоминания можно разрушить холодом, электрошоком, эпилептическим приступом) в стабильное состояние. Это называется консолидацией. И оказалось, что в основе этих двух фаз лежат разные механизмы.

Здесь я сделаю небольшое отступление. Дело в том, что сам Эрик Кандел всегда очень аккуратно говорил про результаты своих исследований, более того, на самом деле он никогда не заявлял, что описанный им механизм является молекулярной основой обучения. Это уже некоторое упрощение. Более того, ряд современных исследователей, например, д.б.н. П.М. Балабан считают, что и образование новых синапсов (да, тех самых шипиков) не является основой памяти. Да, наука - она такая неоднозначная. Но давайте обо всё по порядку.

Итак, группа Э. Кандела вырабатывала оборонительную реакцию на прикосновение к сифону с чернилами. Во время эксперимента моллюску осторожно задевали сифон, вслед за этим моментально наносили сильный удар по хвосту. Для животного это несомненный стресс и некоторое время оно реагирует на лёгкое прикосновение к сифону бурной защитной реакцией – выстреливает чернилами. Через небольшой промежуток времени (меньше часа) моллюск забывает. Это мы можем обозначить как кратковременную память (из нашей первой упомянутой классификации).

Но вот если подобную процедуру повторить несколько раз (семь, восемь и более), то мы сформируем у моллюска стойкий рефлекс. Это будет являться вариантом долговременной памяти.

На схеме (рис. 2) мы видим модулирующий нейрон, который получает информацию от хвоста, моторный (заставляет мышцы жабры (рядом с чернильным мешком) работать и выбрасывать чернила) и сенсорный (или чувствительный, он получает сигнал от сифона). Для удобства мы пронумеруем синапсы.

Если в момент прикосновения к сифону модулирующий нейрон «молчит» (по хвосту не бьют), в синапсе 1 (между моторным и сенсорным) выбрасывается немного нейромедиатора. Этого количества не хватает, чтобы моторный нейрон возбуждается. Вообще, чтобы импульс прошёл нужно достаточно много медиатора (одной – двух молекул не хватит).

Однако удар по хвосту вызывает параллельный процесс - выброс нейромедиатора в синапсе 2 (между модулирующим и сенсорным). А это приводит к очень ощутимым изменениям в поведении синапса 1.

В окончании сенсорного нейрона синтезируется вещество цАМФ (циклический аденозинмонофосфат). Молекулы этого вещества активизирует регуляторный белок под названием протеинкиназа А (PCA).

Итак, что же происходит дальше. В клетке много разнообразных систем. Многие нужны для амплификации (усиления сигнала). Скажем, одна молекула может активировать несколько больших биохимических каскадов (последовательных наборов превращений). Так вот, протеинкиназа А и является такой вот волшебной молекулой. Она активирует (как бы переводит в рабочую форму) ряд других белков таким образом, что синапс “1” (в ответ на прикосновение к сифону) начинает вырабатывать больше медиатора. А это в свою очередь приводит к тому, что моторный нейрон возбуждается. Это и есть кратковременная память. Пока в окончании сенсорного нейрона (в районе синапса) много активной протеинкиназы А (PCA), передача к мышцам чернильного мешка осуществляется эффективно.

Из-за синтеза и активации протеинкиназы А (PCA) происходит функциональное изменение, но мощность и его невелика.

Объем кратковременной памяти сильно ограничен: у человека это менее 10 элементов. Если воздействие не повторяется, то информация о нём сохраняется в памяти всего несколько минут.

Если прикосновение к сифону сопровождать ударом по хвосту много раз подряд, протеинкиназы А становится очень много. Её молекулы проникают через поры (они используются для транспорта РНК) в ядро сенсорного нейрона. В ядре активируется особый белок - транскрипционный фактор CREB. Этот белок умеет включать гены и содействовать считыванию информации с молекулы ДНК. Запускается ряд генов, с которых синтезируются строительные белки. Они заставляют синапс разрастаться (увеличивать свою площадь). Это показано пунктиром на схеме.

В некоторых случаях у окончания сенсорного нейрона появляются дополнительные отростки. Таким образом, происходит архитектурная перестройка клетки. С этого момента даже легкое прикосновение к сифону (совсем слабое возбуждение сенсорного нейрона) сразу приводит к выбросу чернил (ответу моторного нейрона). Это и есть долговременная память.

Иными словами, кратковременная память связана с образованием молекул и временными функциональными изменениями в окончаниях нейронов. А вот долговременная память возникает только в тех ситуациях, когда произошли структурные изменения в контактах между клетками. Вот почему так важно повторение ранее изученного материала. Только оно позволяет сперва накапливать много протеинкиназы А, а затем вызывать архитектурные изменения в контактах клеток. Как говорится в первой части всем известной пословицы, “Повторение – мать учения”.

Для понимания принципиальных отличий кратковременной памяти и долгосрочной подойдёт следующее сравнение.

Представьте себе строящуюся кирпичную стену. Мы заливаем бетонирующий раствор между кирпичами. И какое-то время стена вроде уже есть, но мы её легко можем разрушить. Потому что раствор ещё жидкий. Это работа временного усиления силы синапса. Но через несколько дней бетонирующий раствор застывает, и мы получаем уже прочную структуру (стену), гораздо более устойчивую к внешним воздействиям. Это будет уже работа белков, обеспечивающих долговременную память. Они поменяли архитектуру связей.

На самом деле, важно добавить несколько деталей, для того, чтобы понять реальную роль нейромедиаторов (а то все говорят – тут вот этот медиатор что-то там улучшает, этот ухудшает).

На этапе формирования краткосрочной памяти важнейшую роль играет нейромедиатор глутамат (да, да, тот самый глутамат натрия которым все пугают). И глутамат, выделяясь из пресинаптической мембраны нейрона связывается с рецепторами NMDA и AMPA на постсинаптической мембране. Связывание глутамата с AMPA рецепторами приводит к открытию ионных каналов для положительно заряженных ионов натрия, что вызывает изменение внутреннего заряда мембраны постсинаптического нейрона. Это называется деполяризацией. И пока AMPA рецепторы работают не очень активно, у мозга есть возможность в некотором смысле ПРИНЯТЬ РЕШЕНИЕ насколько вообще этот опыт важен. Но чем чаще приходит информация к нейрону (чем чаще бьют по хвосту), тем больше глутамата выделяется из пресинаптического нейрона и тем дольше AMPA рецепторы остаются открытыми. Как следствие, ионов натрия накапливается так много, что особо чувствительные к изменению заряда мембраны NMDA рецепторы (они же поры для ионов) открываются за счёт выскакивания из них ионов магния. И теперь уже NMDA начинают проводить ионы натрия. Более того через них же в клетку поступают ионы кальция. А вход кальция в постсинаптический нейрон (1) приводит к пролонгированию механизма долговременной потенциации. Через кальций-связывающие белки активируется ферменты кальмодулин и протеикиназы. Например, увеличение содержания некоторых протеинкиназ (Протеинкиназа С и т.д.) приводит к увеличению числа рецепторов к нейромедиаторам на поверхности мембраны нейрона (1), соответственно увеличивается вероятность и скорость активации. Таким образом облегчается проведение нервного импульса и временно усиливается связь (да, это всё ещё про краткосрочную память). Это всё длится минуты – часы. Далее при достижении высоких концентраций ионов кальция кальмодулин стимулирует образование цАМФ, который в свою очередь активирует всё больше молекул Протеинкиназы А (PCA), а далее включается уже описанный выше механизм активации генов, кодирующих белки, участвующие в перестройке архитектуры синапсов. Важно отметить, что модулирующие нейроны (2) могут использовать дофамин или серотонин. Вот, где работают эти нейромедиаторы при разучивании новых навыков.

В начале 2000-х была описана особая молекула под названием Протеинкиназа Mzeta (PKM?), которая как оказалась отвечает за долговременную потенциацию на поздней стадии и работает в постсинаптическом нейроне. То есть, она включается на более поздних этапах повышения эффективности передачи сигналов между двумя нейронами. По данным исследований блокирование работы Протеинкиназы Mzeta стирает пространственные долговременные воспоминания в гиппокампе (хранящиеся там уже около месяца), при этом не влияя на пространственную краткосрочную память. Предполагают, что из-за блокирования Протеинкиназы Mzeta нарушается цепочка работы белковых молекул, встраивающих рецепторы к нейромедиаторам на поверхности постсинаптической мембраны. Как следствие, меньше ионных каналов будет открыто, меньше шансов запустить передачу импульсов. В 2009 году в New York Times даже вышла статья о том, что учёные открыли “молекулу памяти” и теперь смогут стирать неугодные воспоминания. Главное проблема заключается в том, чтобы добраться до конкретных контактов, хранящих ненужные нам воспоминания. А эта задача на сегодняшний день остаётся нерешённой, хотя исследования в этом направлении активно ведутся.

Но в работе данного механизма кроется один совершенно потрясающий факт. Некоторые наши воспоминания сохраняются на годы, а то и десятилетия. А Протеинкиназа Mzeta живёт всего несколько дней, а дальше разрушается. Важно, что для поддержания долговременной памяти она должна присутствовать в клетке в определённом количестве. Причём её количество коррелирует с силой связи между двумя нейронами. И вот как тогда это количество поддерживается? Оказалась, что Протеинкиназа Mzeta через белок PIN1 может “вылавливать” свободно плавающие кусочки молекул РНК и запускать с них синтез новых Протеинкиназ Mzeta. Это своеобразный механизм внутренней обратной связи. Для нейрона такой механизм будет означать – данный синапс изменён надолго (на годы). Это нечто крайне важное.

И вот мы опять видим связку работы механизма РНК – белки/ферменты.

С описанными выше механизмами связан феномен реконсолидации. Это когда при обращении к какому-то событию из прошлого опыта происходит его перезапись. В экспериментах животных сперва подводили к кормушке и обучали избегать несъедобные предметы (помазанные горьким веществом). После успешного обучения через некоторое время животных вновь подводили к кормушке с несъедобными объектами и давали им блокатор синтеза белка в нейронах. Животные в этот раз уже избегали несъедобные объекты. Но в следующий раз, когда животных подвели к кормушке, то они вновь начинали пытаться съесть горькие предметы, будто бы их видели впервые. Похожих исследований было проведено достаточно много на разных животных.

Получается, что блокатор синтеза новых белков каким-то образом вторгается в процесс запоминания, причём уже хорошо усвоенного опыта. Из чего был сделан первичный вывод о том, что при воспроизведении условий первичного опыта можно вызвать в мозге те же молекулярные процессы, что и при изначальном запоминании. Получается, что обращение к опыту, когда некий условный раздражитель берёт на себя функцию напоминания, приводит к перезаписи воспоминания заново. И здесь как будто бы вновь повторяются все уже описанные выше события, связанные с первичным запоминанием. Изначально, многие авторы так и считали, но в последние годы накапливается немало данных о том, что в некоторых случаях, процессы перезаписи всё-таки могут отличаться по своей природе от изначального запоминания. Например, блокада важного белка – транскрипционного фактора C/EBPb, работающем в нейронах дорзального гиппокампа приводила к ухудшению первичного запоминания (собственно консолидации), но никак не сказывалась на реконсолидации.

В связи с этим высказаны три теории о том, что такое вообще ПЕРЕЗАПИСЬ воспоминаний. Согласно первой – консолидация и реконсолидация единый процесс. Сама же реконсолидация стабилизирует память о первичном опыте. Вторая теория считает, что консолидация и реконсолидация являются независимыми процессами, а реконсолидация нужна для того, чтобы обновить знания и адаптировать опыт к новым условиям. Третья теория гласит о том, что обновление памяти происходит при полной перестройке (переформатировании) старой памяти (аналог CD-RW диска, предложенный академиком К.В. Анохиным).

Какая бы теория не оказалась верна, важно понимать, что наши даже самые долговечные воспоминания не являются застывшим монолитом. Вполне вероятно, что некоторые синапсы действительно устойчивы всю жизнь, но многие могут постоянно перестраиваться, помогая нам приспосабливаться к новым условиям.

Источник: vk.com

Комментарии: