Исследование механизмов кратковременной и долговременной памяти

10.09.2016
После того как было установлено, что почти все формы научения обусловлены как кратковременными, так и долговременными следами памяти, предпринимались попытки выяснить, представляют ли собой эти две формы памяти отдельные процессы или же это только две фазы одного процесса. Широкое распространение получила гипотеза, которая была впервые сформулирована Д.Хеббом: кратковременная память представлена динамической, легко прерываемой электрической активностью, тогда как долговременная память связана с более стойкими структурными изменениями (например, белков мозга). Этот процесс в дальнейшем получил название консолидации следов памяти. Предположение подтверждалось многочисленными лабораторными данными, в которых было показано, что любые воздействия, нарушающие функции головного мозга (распространяющаяся корковая депрессия, аноксия мозга, нарушение белкового синтеза и пр.), ведут к блокированию кратковременной памяти у животных. Оказалось, что привыкание и облегчение также могут протекать по схеме кратковременного и долговременного процессов.

Одно из существенных различий биохимического механизма долговременной и кратковременной памяти состоит в том, что торможение транскрипции и трансляции в белковом синтезе избирательно ухудшает долговременную память, но не влияет на кратковременную память. Это было установлено впервые при обучении грызунов, цыплят, золотых рыбок и других экспериментальных животных реакции избегания. Достоинство реакции состоит в том, что она биологически чрезвычайно важна для организма и поэтому образуется очень быстро. При воздействии на мозг факторами, которые сильно, но кратковременно дезорганизуют его работу (электрический шок, блокаторы белкового синтеза, охлаждение и пр.), было установлено, что разрушение образованного навыка существенно зависит от длительности периода, прошедшего после обучения. На основании этих данных было сформулировано важное положение, согласно которому для обучения необходим синтез РНК и белка в ограниченном отрезке времени («временном окне»). В экспериментах на животных дефицит памяти проявляется, если торможение белкового синтеза происходит в интервале менее одного часа после обучения. Обязательным требованием для консолидации следа памяти является синтез белка и РНК во время периода консолидации. Это правило должно выполняться как для беспозвоночных, так и для позвоночных животных.

С позиций современной молекулярной биологии очевидно, что перевод кратковременной памяти в долговременную через процесс консолидации уже предполагает экспрессию генов. Временное окно для консолидации должно коррелировать с каскадом генной индукции, в которую «включаются» ранние гены, активированные экспрессией факторов транскрипции. Включение генов приводит к экспрессии существенных факторов транскрипции, а это в свою очередь вызывает экспрессию эффекторных генов. В соответствии с этой гипотезой клеточные корреляты временного окна были обнаружены как при долговременной потенциации в гиппокампе у млекопитающих, так и при долговременной сенситизации у аплизии. На клеточном уровне процесс включает синтез РНК и белка непосредственно после индукции, указывает на то, что обучение включает новые гены в соответствующих клетках в ответ на стимуляцию.

Клеточные механизмы обучения у аплизии. Благодаря углубленному анализу был идентифицирован ряд ключевых нейронных цепей рефлекса отдергивания жабры. Стимуляция хвоста, как было описано выше, вызывает условно-рефлекторное отдергивание жабры вследствие активации по крайней мере трех классов фасилитирующих (сенсибилированных) интернейронов, один из которых — серотонинергический, т.е. медиатором синаптической передачи в нем является серотонин (см. рис. 6.16). Эти интернейроны действуют на сенсорные нейроны, увеличивая выделение медиатора в синапсе «сенсорный нейрон — мотонейрон». Хотя этот рефлекс имеет как моно-, так и полисинаптические компоненты, рассмотрим только моносинаптическую часть цепочки и используем ее в качестве теста для дальнейшего исследования. Как кратковременная, так и долговременная память, по-видимому, совместно используют серотонинергические интернейроны, и изменения в соответствующем синапсе отражаются на поведении моллюска. В эксперименте долговременная фасилитация может быть вызвана аппликацией серотонина, который в естественных условиях (in vivo) выделяется интернейронами, активированными стимуляцией хвоста. Поведенческий ответ в виде длительного усиления проводимости в синапсе сенсорный нейрон — мотонейрон зависит в этом эксперименте от количества добавленного в раствор серотонина. Электрический импульс, приложенный к микропипетке при электрофорезе, стимулирует выделение содержащегося в ней фиксированного количества серотонина. Один импульс серотонина вызывает кратковременное усиление синаптического проведения даже тогда, когда заторможен синтез и белка, и РНК. Однако при нанесении пяти импульсов серотонина усиление синаптического проведения сохраняется долго (до 24 ч). При торможении белкового и РНК-син-теза усиление блокируется. Таким образом, долговременная фасилитация очень похожа на долговременную память, которая требует участия белка и генов (что не обязательно для процессов кратковременной памяти).

Рассмотрим этот процесс подробнее. Одиночный удар по хвосту или один импульс серотонина активируют серотониновые рецепторы. Активация медиаторных рецепторов стимулирует аденилциклазу, что приводит к увеличению уровня вторичного посредника цАМФ, который активирует протеинкиназы А (ПК А) или протеинкиназы С (ПК С). Как ПК А, так и ПК С фосфорилируют калиевые каналы, что приводит к их закрытию. Вследствие этого потенциал действия затягивается, это увеличивает вход Ca2+ через N-каналы, который является кофактором процесса выделения медиатора (см. рис. 6.16).

Первые сведения о роли ПК А в долговременной памяти были получены в работах, показавших, что консолидация следа памяти чувствительна к торможению синтеза РНК и белка. Это могло указывать на важность фактора транскрипции РНК для консолидации. Действительно, пропускание через нейронную цепочку пяти серотониновых импульсов вызывало экспрессию различных генов, включая ранние гены и поздние эффекторные гены. С помощью флуоресцентной метки удалось проследить путь каталитической субъединицы ПК А. Было показано, что она транслоцируется в ядро сенсорного нейрона в ответ на повторные импульсы серотонина. В эукариотических клетках специальный белок (CREB — cAMP-response element binding protein) является транскрибирующим фактором, критическим для экспрессии гена в ответ на активацию (фосфорилирование) ПК А (рис. 6.17).
Исследование механизмов кратковременной и долговременной памяти
Исследование механизмов кратковременной и долговременной памяти

Таким образом, исследования транскрипционного фактора (CREB-белка) у аплизии привели исследователей к выводу, что регуляция транскрипции с помощью ПК А — ключевое событие в индукции долговременной памяти. Например, блокирование CREB внутриклеточным введением соответствующих антител в сенсорные нейроны избирательно блокировалась долговременная фасилитация. Все эти данные подтверждали сформулированную гипотезу о том, что в консолидации памяти необходимо участие генома.

Изучение клеточных механизмов обучения у дрозофилы. Имеется ли описанный выше механизм у других организмов? Первые доказательства были получены на плодовой мушке (Drosophila). Уже самые первые работы показали, что, как и у аплизии, в процессах обучения и долговременной памяти участвуют цАМФ и ПК А. Детальный молекулярный анализ провели на трех мутациях, нарушающих память. Вызывали экспрессию торможения ПК А тепловым шоком и тем самым блокировали промотор обучения. Подвергнутые такому воздействию животные теряли способность к обучению. Мутация dunce (болван, тупица) вызывает дефект в цАМФ-фосфодиэстеразе, мутация rutabaga (брюква) — дефект кальций/калмодулиннезависимой аденилилциклазы, мутация amnesiac (забывчатый) — дефект в нейропептиде, который выполняет роль рецептора аденилилциклазы.