Нейрохимические основы памяти

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему:

" Нейрохимические основы памяти"

Исследование нейрохимических и молекулярных механизмов нейрологической памяти ведется в последние десятилетия с большой интенсивностью. Однако, несмотря на огромный объем экспериментального материала, постоянное совершенствование экспериментальной техники и несомненные успехи, достигнутые самыми различными исследователями, широкий круг вопросов пока остается невыясненным и попытки создания единой стройной теории, исчерпывающе и непротиворечиво объясняющей все аспекты этого сложнейшего явления, сталкиваются с существенными трудностями.

Известно, что почти все или, по крайней мере, подавляющее большинство видов животных способны, так или иначе, приспосабливаться к тем обстоятельствам, с которыми им приходится сталкиваться в течение жизни. Реакция организма животного на те же обстоятельства при их повторном проявлении часто оказывается совершенно иной, чем та, которая бывает при первом столкновении с ними. Это происходит благодаря способности живых систем к обучению, т. е. наличию у них такой специфической особенности, как память, существование которой в значительной мере определяет индивидуальность поведения каждого животного и человека, обусловленную его личным опытом.

Одной из форм биологической памяти, относительно более простой, является иммунная память, благодаря которой в организме надолго, часто на всю жизнь, сохраняется «воспоминание» о единожды попавшем в него чужеродном антигене. Другой, более сложной и эволюционно новой формой является память нейрологическая, связанная с функционированием центральной нервной системы и обусловливающая различные формы поведения животного.

При исследовании механизмов нейрологической памяти вполне естественно исходят из того, что в процессе обучения, запоминания, адаптации к какому-либо воздействию и т. д. происходят изменения в клетках ЦНС_У способные сохраняться в течение какого-то промежутка времени, длительность которого может составлять от долей секунды до всей жизни организма. Несомненно, в процессе обучения и выработки навыков происходят изменения в структуре нейронов и их синоптических окончаний. Но проблема памяти включает не только вопрос, какие изменения происходят в синапсах, но и понимание того, как организована память в системе целого мозга. Где происходит фиксация следа памяти? Существует один или несколько типов памяти? Какие конкретно биохимические и физиологические механизмы ЦНС вовлекаются в процессы памяти и как они функционируют? Несмотря на большую сложность этих проблем, объединенными усилиями широкого круга исследователей в последние годы были получены первые ответы на эти вопросы.

1. Пространственно-временная организация памяти

Совокупность изменений в ЦНС, связанных с фиксацией следа памяти, принято называть энграммой, и один из главных вопросов, интересующих исследователей в этой области, заключается в том, чтобы идентифицировать и обнаружить локализацию энграммы в мозге. Как известно, мозг организован таким образом, что основные функции, связанные с восприятием внешнего мира и с двигательными реакциями на внешние воздействия, имеют представительство в определенных, довольно строго локализованных участках его коры. На этом основывалась концепция памяти, созданная в рамках классической теории условных рефлексов, где процессы выработки приобретенных реакций рассматривались как «замыкание» связи между определенными центрами коры головного мозга. При этом повреждение центра, естественно, должно нарушать запоминание, связанное с осуществлением данной функции.

Эта концепция противоречила результатам работ К. Лэшли, из которых следовало, что память широко и равномерно распределена по всем мозговым зонам. Лэшли показал, что при решении крысой лабиринтной проблемы после частичного разрушения коры головного мозга время, требуемое для восстановления выработанной реакции, пропорционально объему разрушенной коры и не зависит от локализации разрушения, за исключением, конечно, значительных повреждений в моторной зоне коры, при которых просто исчезает способность животного к передвижению в лабиринте. Результаты этих экспериментов были настолько труднообъяснимы, что сам К. Лэшли к концу жизни написал: «Иногда, рассматривая сумму данных о локализации следов памяти, я чувствую, что обучение попросту невозможно» .

Несмотря на это пессимистическое заключение одного из ведущих исследователей в области проблемы памяти, в последующем было сделано немало попыток примирить обе концепции. Так, по ряду современных представлений, выработка лабиринтной реакции зависит от многих видов информации и каждый вид информации фиксируется в определенных участках мозга. Однако эти участки могут быть достаточно малы и располагаться в различных зонах коры.

Таким образом, получается, что память локализована в том смысле, что за каждый компонент поведенческой реакции отвечает вполне определенный участок мозга, и делокализована в том смысле, что целостная реакция осуществляется при взаимодействии многих участков, расположенных в различных областях мозга.

Отсутствие строгой локализации энграммы не противоречит известным сведениям о существовании определенных мозговых структур, чья функция непосредственно связана с процессами памяти. К числу таких структур в первую очередь относятся гиппокамп и миндалевидный комплекс, а также ядра средней линии таламуса. При разрушении этих структур у животных, а также при их поражении, вызванном травмой или заболеванием у людей, нарушаются процессы выработки условных навыков и запоминания информации. В работах многих исследователей, в особенности П. В. Симонова и Е. Н. Соколова, показано важное значение пластических перестроек нейронов гиппокампа в процессе привыкания к внешним воздействиям и сформулированы гипотезы, предусматривающие особую роль гиппокампа в процессах памяти. Однако анализ существующих данных показывает, что связь отдельных структур мозга с механизмами памяти заключается скорее всего не в том, что в этих структурах хранятся определенные энграммы, а в том, что в них находятся нейронные системы, регулирующие процессы запечатления, фиксации и, возможно, воспроизведения следа памяти. Современные данные скорее подтверждают предположение Б. И. Котляра о том, что процессы обучения связаны с изменением состояния целостного мозга, связанного с одновременным вовлечением многих мозговых структур.

В общем, чем сложнее структура запоминаемой информации, тем труднее локализовать ее энграмму, тем более «размытой» она оказывается. По этому поводу Н. П. Бехтерева указывает: «Несомненно, что хотя существуют зоны мозга, имеющие тесную связь с процессами памяти, данные записи физиологических показателей мозга… свидетельствуют об организации памяти по распределенному принципу. Самые разные структуры и зоны этих структур имеют отношение к памяти…» И далее: «Создается впечатление не просто о системном характере организации памяти, а о множестве систем, обеспечивающих различные виды и различные фазы памяти, имеющих общие для всех и различные для каждой из них звенья» .

Таким образом, известные к настоящему времени данные свидетельствуют о том, что память, во всяком случае относительно к сложным поведенческим и психическим процессам, не может быть локализована в пространственно ограниченной группе нейронов, а представляет собой сложный процесс, касающийся организации целого мозга, выражающийся в изменениях взаимодействия большого числа нервных клеток.

По существующим представлениям, запоминание — это протекающий во времени процесс, в котором можно выделить ряд стадий. Членение на стадии в значительной мере условно, так как до сих пор не известно, действительно ли они объективно независимы или представляют собой искусственно выделенные этапы непрерывного, единого процесса. Наиболее распространено деление памяти на краткосрочную и долгосрочную. Процесс перехода первой во вторую называется консолидацией. Однако недостаточность такого деления очевидна. В самом деле, говоря о краткосрочной памяти, часто утверждают, что ее продолжительность составляет от долей секунды до десятков минут. Однако даже индивидуальный опыт каждого человека убеждает в том, что это несравнимые интервалы. Попытка воспроизвести изображение или текст через секунду или через десять минут приводит к совершенно различным результатам.

Такая неопределенность ведет к попыткам выделить промежуточные формы памяти, которые имеют названия «лабильной», «промежуточной», «оперативной» и т. д. Основанием для деления процесса памяти на временные стадии служит не только степень сохранности информации через определенные промежутки времени, но и данные биохимического и фармакологического анализа, о чем будет сказано дальше. Для понимания основных закономерностей процессов, связанных с временными характеристиками памяти, по-видимому, достаточно будет выделить три типа памяти, каждый из которых имеет свои специфические особенности:

1) минимальная кратковременная память;

2) относительно ограниченная во времени память;

3) пожизненная долговременная память.

Минимальная кратковременная память

Для обозначения очень кратковременной фазы памяти, длящейся не более секунды, существует несколько различных терминов, таких как «мгновенная», «сенсорная», «иконическая», «очень кратковременная» и др. Объем этой памяти достаточен для того, чтобы обеспечить синтез сиюминутного поступления информации от различных органов чувств, произвести быструю обработку этой информации и оценить ее важность или индифферентность для дальнейшего поведения.

Одной из основных проблем в изучении механизмов памяти является вопрос, в какой форме хранится запоминаемая информация. Что касается минимальной кратковременной памяти, то есть все основания утверждать, что эта форма памяти связана с изменениями «быстрых» функций синаптического аппарата нервных клеток. Доказательством этого утверждения является то, что она нарушается различными ингибиторами функций синапса и не изменяется под влиянием ингибиторов синтеза белка и нуклеиновых кислот. Кроме того, очевидно, что время, в течение которого функционирует КП_М, слишком мало для того, чтобы могли произойти сложные биохимические процессы, включающие синтез новых макромолекул. Можно, таким образом, утверждать, что основой этого типа памяти являются постоянно меняющиеся отношения между нейронами, выражающиеся в быстрых изменениях функционирования связывающих их синапсов.

Память, относительно ограниченная во времени

Под относительно ограниченной во времени формой памяти обычно понимают ту ее фазу, продолжительность которой составляет от нескольких секунд до нескольких часов и, в ряде случаев, нескольких суток. Предполагается, что в течение этого промежутка времени происходят процессы консолидации, приводящие к закреплению следа и перевода его в долговременную память. Та информация, которая не подверглась консолидации, стирается и исчезает из памяти.

Большая размытость временного интервала, на котором определяется ООП, а также тот очевидный факт, что объем информации, хранящийся в памяти в течение нескольких секунд или нескольких часов, может быть совершенно различным, дает основания для предположения, что эта форма памяти не является единой по своему механизму и может быть дополнительно подразделена на ряд стадий. Тем не менее результаты экспериментов, связанных с применением различных физиологических и биохимических воздействий на ООП, заставляют думать, что, по всей вероятности, в данном случае это единый, непрерывно протекающий процесс.

Из трех выделенных форм памяти ООП является наиболее интенсивно исследуемой. Это связано, во-первых, с тем, что она существует на временном интервале, значительно более доступном для эксперимента, чем доли секунды, характерные для КП_М, а, во-вторых, с тем, что в отличие от ДП_П для нее известно большое количество химических и физиологических модифицирующих воздействий.

Если для КП_М вопрос о форме ее хранения решается достаточно однозначно в силу ее кратковременности, благодаря которой она не может быть связана со сложными относительно медленными биохимическими процессами, то в случае ООП проблема оказывается много сложнее. Механизмы формирования этой формы памяти могут включать чрезвычайно широкий спектр биохимических реакций, таких как освобождение в синаптических окончаниях нейропептидов, образование циклических нуклеотидов, фосфорилирование белков и некоторых липидов мембран, включение синтеза рада нейроспецифических белков и пептидов, активация протеиназ, модифицирующих белки мембран и др. По всей вероятности, формирование ООП является сложным процессом, включающим различные нейрохимические механизмы, способные взаимодействовать друг с другом. Набор этих механизмов определяет в конкретных случаях продолжительность временных фаз ООП, а также, возможно, характер запоминаемой информации. Подтверждается это тем, что в различных экспериментах функции ООП нарушаются самыми разнообразными физическими или химическими агентами, влияющими на широкий спектр биохимических реакций.

Применение перечисленных в таблице воздействий в большинстве случаев приводит к полному или частичному нарушению ООП. В экспериментальных и клинических исследованиях такие нарушения проявляются в виде амнезии, которая выражается в неспособности подопытного животного, испытуемого или пациента воспроизвести выработанный поведенческий навык или полученную информацию. Различают ретроградную и антероградную амнезии.

Таблица 1. Ингибиторы памяти

В первом случае нарушение воспроизведения памятного следа вызывается действием агента, производящимся после предъявления запоминаемой информации. Во втором случае воздействие нарушающим память агентом производится до такого предъявления. Следует иметь в виду, что степень влияния воздействий, нарушающих ООП, на ту или иную форму амнезии может быть различной. Некоторые воздействия в большей мере влияют на ретроградную, в то время как другие — на антероградную амнезию. Кроме того, выраженность влияния различных агентов на воспроизведение запечатленного следа зависит от многих других факторов, таких как характер запоминаемой информации, время, прошедшее от запоминания до предъявления нарушающего память воздействия, или наоборот — от предъявления до запоминания и др.

Это подтверждает положение, что процесс формирования ООП является хоть и единым, но в значительной мере многокомпонентным. При этом надо иметь в виду, что на рассматриваемом временном интервале происходит процесс консолидации, т. е. формирования долговременной памяти. Поэтому во многих случаях указанные ингибиторы могут также влиять на этот процесс и препятствовать переходу запоминаемой информации из ООП в долговременную память. При последующей попытке воспроизвести выработанную реакцию, когда потребуется извлечение информации из долговременной памяти, такое нарушение консолидации будет проявляться в виде амнезии.

В качестве примера различия биохимического обеспечения кратковременной и более долговременной фаз ООП можно привести результаты экспериментов Р. Мэрка. Он обучал новорожденных цыплят отличать съедобные зерна от гальки тех же размеров. Вначале цыплята предпочитали склевывать гальку, но к концу непрерывного сеанса обучения, т. е. через 40−60 склевывали и уже безошибочно выбирали зерна. Если перед началом обучения в мозг птенцам вводили циклогексимцд, ингибирующий процесс синтеза белка, то обучение во время сеанса не нарушалось, но предотвращалось закрепление навыка, и через сутки цыплят приходилось обучать сначала. Если же точно так же интрацеребрально перед обучением цыплятам вводили ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы, влияющие на синоптические процессы в нейроне, выработка реакции различения зерен и гальки в день обучения полностью предотвращалась. Однако ингибиторы Naи К-зависимой АТФазы не препятствовали формированию долговременного навыка. Через 30 мин после обучения цыплята уже предпочитали корм гальке, а через 1 ч они клевали практически уже только зерна, т. е. вели’себя точно так же, как контрольные животные, которым ничего не вводили.

¦ Результаты эксперимента показывают, что подавление действия Na-, К-АТ Фазы препятствует доступу к кратковременной памяти, но не мешает процессу консолидации — формированию долговременной памяти. Ингибитор синтеза белка, наоборот, нарушает консолидацию, но не влияет на ту форму обучения, которая укладывается на временном интервале, равном нескольким минутам. Другими словами, эти процессы до известной степени независимы.

Вернемся теперь к вопросу, какие нейрохимические механизмы могут обеспечивать фиксацию и хранение энграммы в течение того периода, который полагают характерным для ООП, т. е. от нескольких секунд до нескольких суток. С нейрофизиологической точки зрения любой поведенченский акт должен обусловливаться включением определенной группы нейронов, обеспечивающих его целенаправленное протекание и координацию составляющих его элементов. Следовательно, процесс запоминания или выработки нового навыка можно рассматривать как приобретение популяцией нервных элементов особых свойств, позволяющих им в определенных условиях формировать систему, реализующую данный навык. Такие свойства могут формироваться за счет изменений в структуре тел нейронов и синаптического аппарата и выражаться в перераспределении вероятности проведения возбуждения по различным нервным путям. Другими словами, после приобретения определенного навыка вероятность передачи возбуждения в определенных сетях нейронов становится выше, чем в других сетях, в результате чего складываются «предпочтительные», т. е. наиболее вероятные ансамбли нервных клеток.

При возникновении соответствующей ситуации происходит преимущественное прохождение импульсов по предпочитаемым путям, что и обеспечивает формирование функциональной структуры, запускающей определенный тип поведения. По этим соображениям в современных исследованиях в качестве модели для изучения возможных механизмов памяти часто используют феномен так называемой пластичности нейронов. Этот феномен заключается в том, что под влиянием тех или иных факторов, в частности интенсивного возбуждения нервных клеток, происходит перестройка их пре- или постсинаптического аппарата. Такая перестройка продолжается более или менее длительное время, которое, во всяком случае, превышает длительность обычных синаптических процессов, связанных с проведением одного или серии импульсов. Функциональные изменения в синаптическом аппарате приводят к тому, что характеристики передачи возбуждения в нем становятся иными, чем они были до пластической перестройки. Соответственно, благодаря таким изменениям может модифицироваться эффективность и направленность межнейрональных связей, что и будет в значительной мере обусловливать процессы, связанные с запоминанием.

Исходя из всего сказанного, рассмотрим последовательно биохимические процессы, происходящие в нейроне в результате прихода импульсов к иннервирующим его синаптическим окончаниям, и попытаемся понять, какие из них могут быть ответственными за формирование тех пластических изменений, которые составляют основу ООП.

¦ Когда нервный импульс приходит к синаптическому окончанию, происходит освобождение медиатора, который частично взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны. Остальная его часть разрушается специальным ферментом или захватывается обратно в пресинаптическую терминалы Следствием реакции медиатора с постсинаптическим аппаратом является изменение ионных потоков, протекающих через поверхность клетки. В результате происходит сдвиг мембранного потенциала и повышение концентрации ионов калия вне клетки и ионов кальция внутри нее. Сами по себе процессы, вызванные одним импульсом, чрезвычайно кратковременны, но если импульсы поступают регулярно и с достаточно высокой частотой, возникает процесс суммации, при котором определенные сдвиги в концентрации ионов могут сохраняться достаточно долго. В частности, при прохождении залпа импульсов выделяющиеся ионы калия могут в значительных количествах диффундировать к окружающим нейрон клеткам и влиять на их деятельность, что в некоторых теориях рассматривается как один из факторов, участвующих в процессах памяти.

Особенно важное значение в связи с рассматриваемым вопросом имеет повышение внутриклеточной концентрации кальция, которое может происходить как за счет вхождения этого иона в клетку извне, так и благодаря мобилизации внутриклеточных ресурсов. Дело в том, что значительное количество биохимических процессов в нервных клетках осуществляется при непременном участии ионов кальция, т. е. являются кальций-зависимыми. Последствиями таких процессов могут быть разнообразные пластические перестройки, в частности, усиление восприимчивости постсинаптической мембраны к действию медиаторов.

Одной из наиболее обоснованных концепций, рассматривающих процессы такого рода, является гипотеза Линча и Бодри. Суть гипотезы состоит в следующем. Концентрация ионов кальция вблизи постсинаптической мембраны оказывается повышенной после серии приходящих к синаптическому аппарату нервных импульсов. В результате этого в мембране постсинаптического нейрона происходит активация кальций-зависимой протеиназы — калпеина. Калпеин, в свою очередь, расщепляет один из расположенных здесь структурных белков — фодрин. При этом обнажаются чувствительные к глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокированы фодрином. Увеличение числа активных рецепторов глутамата может обусловливать состояние повышенной проводимости синапса, которое длится не менее нескольких суток.

Хотя эта гипотеза еще не может считаться окончательно доказанной, она подтверждается целым рядом экспериментов. Часть таких экспериментов основана на применении агентов, избирательно связывающих ионы кальция. Подведение этих агентов к клеткам, реагирующим на глутамат, нарушает состояние повышенной проводимости синаптического аппарата. Ингибитор протеиназ — лейпептин — в ряде случаев препятствует формированию памяти. Кроме того, при электронно-микроскопическом анализе постсинаптигческих мембран глутаминергических синапсов показано, что после прохождения нервных импульсов здесь увеличивается число малых отростков, которые, по всей вероятности, являются рецепторами глутамата. Наконец, показательно, что под влиянием ионов кальция связывание глутамата увеличивается именно в тех областях мозга, которые, судя по нейрофизиологическим данным, принимают наиболее активное участие в процессах обучения и консолидации, а именно, в коре и гиппокамие.

Участие ионов кальция в процессах, связанных с механизмами памяти, не ограничивается активацией рецептора глутамата. К числу других реакций относится активация в нервной клетке специфических элементов, осуществляющих фосфорилирование белков — протеинкиназ. Некоторые из протеинки-наз активируются ионами кальция при обязательном участии таких характерных для состава мембран соединений, как фосфоинозитиды, фосфоинозитолы и диацилглицерол, которые, как известно, образуются при прохождении нервного импульса одновременно с изменением концентрации кальция. Одна из протеинкиназ — протеинкиназа С, чья активность модифицируется ионами кальция и фосфолипидами, фосфорилирует ряд белков, содержащихся в синаптических мембранах, в том числе белок В-50. С фосфорилированием этого белка тесно связан уровень фосфорилирования фосфоинозитидов, которые, как полагают, оказывают значительное влияние на заряд и состояние ионных каналов постсинаптической мембраны и, следовательно, на степень «проторенности» синапса.

Дополнительным свидетельством значения фосфорилирования протеинкиназой С белка В-50 служат результаты экспериментов с долговременной синаптической потенциацией нейронов гип-покампа. Феномен долговременной синаптической потенциа-ции заключается в том, что после длительного высокочастотного раздражения нервной клетки ее ответ на приходящие импульсы в течение довольно продолжительного времени оказывается усиленным. Это явление в настоящее время служит одной из основных моделей нейронной пластичности, которая, как было сказано, в свою очередь используется для изучения механизмов памяти. В ряде экспериментов различных исследователей было показано, что во время долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа происходит резкая активация фосфорилирования белка В-50 протеинкиназой С.

Весьма перспективной представляется новая проблема, основанная на активации ионами кальция кальмодулин-зависи-мой протеинкиназы II. Последняя замечательна тем, что после первичной активации она способна к аутофосфори-лированию, поддерживающему далее ее активность и активность вновь синтезируемых молекул этого фермента в течение очень длительного времени. К3П II локализована в синапсах и может таким образом участвовать в механизмах длительного изменения проводимости данного синапса.

В последнее время внимание ряда исследователей привлекает возможная роль ганглиозидов в кальций-зависимых синаптических процессах. Ганглиозиды способны, в частности, активно участвовать в стимуляции как глутаматных рецепторов коры и гиппокампа. При этом необходимым условием является образование комплексов ганглиозидов с ионами кальция.

Изменение состояния синаптического аппарата при прохождении нервного импульса может влиять также еще на одну группу биохимических процессов — синтез циклических нуклеотидов. При этом может происходить как активация, так и ингибирование ферментов этой системы. Модификация деятельности циклазной системы может осуществляться путем прямого воздействия через рецептор медиатором или комедиатором на аденилат или гуанилатииклазу. Активация циклазных систем связана с увеличением концентрации ионов кальция, так как некоторые циклазы являются кальций-зависимыми ферментами. Синтезированные в результате циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ, в свою очередь, активируют некоторые протеинкиназы, оказывающие влияние на фосфорилирование ряда белков.

Изменение интенсивности фосфорилирования ряда белков, в частности белков хроматина, РНК-полимеразы и рибосом может влиять на синтез некоторых нейроспецифических белков. Наиболее исследованы два белка — белок S-100 и белок 14-3-2. Оба белка считаются нейроспецифическими, так как их содержание в головном мозге значительно превышает количество, обнаруживаемое в любом другом органе. При этом показано, что белок 14−3-2 содержится главным образом в нейронах, a S-100 — в клетках алии. Кроме того, S-100 обнаружен в синапсах, что дает основание полагать, что он участвует в формировании связей между нейронами.

Было показано, что содержание белка S-100 в нейронах гиппокампа начинает возрастать примерно через час после обучения, достигает максимума через 3−6 ч и через несколько суток возвращается к исходному уровню. Сходная динамика обнаружена и для процесса обновления белка 14−3-2, оцениваемого по скорости включения в него меченого лейцина.

Свидетельством в пользу того, что нейроспецифические белки принимают участие в процессах памяти, служат эксперименты, в которых показано, что введение антисыворотки к белку S-100 в желудочки мозга нарушает обучение крыс. Спонтанное поведение, в частности двигательная активность, при этом не изменялась. Кроме того, необходимо иметь в виду общеизвестные факты, говорящие о том, что подавление синтеза белка в мозге ведет к нарушению фазы консолидации и формирования ООП и ДП_П. Таким образом, есть все основания считать, что в основе продолжительных типов ООП лежит синтез определенных нейроспецифических белков, которые могут встраиваться в синоптические мембраны.

К числу процессов, способных опосредованно влиять на обучение, относится также модификация синтеза нуклеиновых кислот. В недавнем прошлом среди исследователей было распространено представление о том, что запоминаемая информация хранится в клетках мозга в виде последовательности нуклеотидов во вновь синтезированных нуклеиновых кислотах. В связи с этим ссылались на большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при обучении происходит увеличение синтеза некоторых фракций РНК, в том числе таких, состав которых отличается от последовательности нуклеотидов, характерной для РНК необученных животных. По современным представлениям, однако, эти данные объясняются не синтезом принципиально новой РНК, последовательность нуклеотидов в которой не была закодирована в клетке, а включением, экспрессией участков генома, ответственных за описанный синтез нейроспецифических белков, связанных с обучением.

Экспрессия определенной совокупности генов лежит в основе структурно-функциональной организации любой специализированной клетки многоклеточного организма. Неудивительно, что при функциональной активации нервной системы, например во время обучения, наблюдается интенсификация процессов синтеза РНК и белков в клетках мозга. Сейчас интенсивно изучается вопрос о том, в какой мере происходящие при обучении изменения в экспрессии генов связаны с процессом фиксации и какова молекулярная природа этого процесса, включают ли эти изменения активацию транскрипции ранее «молчащих» генов или они ограничены чисто количественными сдвигами в уровне экспрессии генов.

Неизвестно, связана ли фиксация разнокачественной информации с экспрессией разных генов или существует универсальный для всех пластичных нейронов механизм «записи». Основной трудностью на пути исследования этих вопросов является слабая изученность лежащего в их основе вопроса о морфологическом и нейрофизиологическом субстрате памяти. Исследования специфической для обучения экспрессии генов на целом мозге или его крупных подразделениях неминуемо упирается в проблему «иголки в стоге сена»: они затрагивают огромные популяции нервных клеток, функциональная активность которых необходима не для процесса фиксации памяти как такового, а для так называемых неспецифических атрибутов процесса обучения.

Вычленение процесса фиксации памяти из этого общего биологического контекста на уровне целого организма пока трудно осуществить. Неудивительно, что основные успехи в понимании молекулярной природы механизма «записи» информации в нервных клетках достигнуты на простых клеточных моделях обучения, связанных с использованием явлений пластичности в изолированных элементах нервной системы.

Наиболее изученной системой такого рода является моносинаптическая дуга безусловного рефлекса втягивания жабры и сифона в ответ на слабое тактильное раздражение сифона у брюхоногого моллюска аплизии. Амплитуда этого рефлекса кратковременно повышается при однократной и долговременно — при повторяющейся болевой стимуляции области головы или хвоста. В обоих случаях сенситизация связана с повышением эффективности синапсов между сенсорными нейронами сифона и мотонейронами жабры и сифона. С удлинением периода болевой стимуляции продолжительность сохранения сенситизации также постепенно увеличивается: кратковременная сенситизация «перерастает» в долговременную.

Обе формы сенситизации имеют общую морфологическую и нейрофизиологическую основу, но их молекулярные механизмы принципиально различаются. В основе кратковременной сенситизации лежит независимое от текущей экспрессии генов и обратимое повышение уровня фосфорилирования группы белков в сенсорных нейронах сифона, обусловленное кратковременной активацией аденилатциклазы, сопряженной с пресинаптическими рецепторами 5-НТ. Природа и функция большинства этих белков неизвестна, однако одним из них является белок 5-НТ-чувствительного канала К⁺, уменьшение проводимости которого и составляет основу механизма сенситизации. При долговременной сенситизации фосфорилирование тех же белков повышено в течение срока, соответствующего длительности самой сенситизации, причем этот эффект, как и сама сенситизация, полностью блокируется при ингибировании текущей экспресии генов в период обучения. Анализ индивидуальных, вновь синтезированных при обучении белков методом двумерного электрофореза позволил обнаружить избирательное повышение скорости синтеза нескольких белков, но их природа и функциональная роль пока неизвестны.

Одной из форм долговременного хранения информации в индивидуальных нейронах, так же как в целой центральной нервной системе, является устойчивое изменение в активности нейромедиаторных систем в ответ на адекватную синаптическую стимуляцию. При синаптической стимуляции симпатических нейронов наблюдается устойчивое и многократное повышение уровня мРНК тирозингидроксилазы и уменьшение уровня мРНК препротахикинина. Аналогично, адекватная синаптическая стимуляция приводит к устойчивому повышению уровня мРНК тирозингидроксилазы в норадренергических нейронах голубого пятна и дофаминергических нейронах черной субстанции.

Полученные при исследовании простых нейронных систем данные касаются зачаточных механизмов мнемонической функции, свойственных многим, если не всем нейронам, на разных уровнях центральной и периферической нервной системы. Их, однако, явно недостаточно для объяснения таких свойств долговременной памяти высших животных, как огромное информационное разнообразие и чрезвычайная стойкость.

Пожизненная долговременная память

Все приведенные положения, касающиеся изменения состояния некоторых белков и моделируемые, в частности, с помощью долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа, касаются лишь относительно кратковременных процессов, сопоставимых по продолжительности с ООП, но не с ДП_р. Длительность всех перечисленных нейрохимических модификаций не превышает нескольких суток. В тех же случаях, когда след сохраняется на протяжении многих суток, месяцев и даже лет, происходит, по-видимому, не модификация существующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для чего необходимы устойчивые перестройки в функционировании участков генома.

Включение синтеза новых белков может осуществляться посредством того же фосфорилирования белков хроматина, РНК-полимеразы или рибосомы. Значение синтеза белков для протекания процесса консолидации и формирования долговременной памяти общепризнанно. Доказательством этого служит, во-первых, то, что эти процессы нарушаются ингибиторами белкового синтеза, а, во-вторых, что в период, следующий за обучением, когда сначала упрочиваются продолжительные формы ООП, а затем Происходит закрепление следа в ДП, наблюдается интенсификация процессов, связанных с синтезом белков. К таким процессам относится интенсивное включение лейцина и фукозы в некоторые белки, в частности в гликопротеиды. По данным Г. Маттиеса, интенсификация синтеза белка в период, последующий обучению, имеет два временных максимума: первый — через 1−1,5 ч после обучения — связан с синтезом растворимых, а второй — через 6−10 ч — с синтезом нерастворимых белков. Возможно, что на первом этапе происходит модификация белков, связанных с продолжительной формой ООП, а на втором — с ДП_П.

Очевидно, однако, что просто разовым синтезом белков с новой структурой нельзя объяснить закрепление ДП_П. Наиболее стабильные из известных белков имеют период полураспада, не превышающий нескольких месяцев, что явно несопоставимо с продолжительностью жизни высших животных. Поэтому для того, чтобы след мог сохраняться в ДП_П в течение нескольких, а иногда многих лет, требуется одновременный запуск какой-то устойчивой системы для постоянного обновления соединений данного типа. Какие механизмы способны обеспечить функционирование систем такого рода? Прежде всего, это необратимые перестройки генного аппарата, когда в результате репрессии/экспрессии участков генома часть генов выключается, а часть включается или приводится в состояние готовности к быстрому включению. Такие процессы обеспечивают, например, дифференцировку клеток в ходе онтогенеза и в принципе могут протекать при формировании ДП_П.

Перестройка регуляторной системы генома возможна на уровне ДНК посредством вырезания и транслокации участков ДНК, амплификации различных участков и ковалентной модификации нуклеотидов метилированием и деметилированием. Первые две группы процессов связаны с синтезом ДНК. Р. Касол и соавторы показали, что у золотых рыбок при внутрижелудочко-вом введении питозинарабинозы быстро, сильно и устойчиво происходит подавление включения ³Н-тимидина в ДНК мозга, но не обнаруживается сколько-нибудь заметного влияния на формирование условно-рефлекторного навыка. Авторы работы сделали из этого вывод, что синтез ДНК не является необходимым для формирования и сохранения памяти. Следует отметить, однако, что этот вывод не вполне вытекает из условий и результатов их работы. Действительно, на приводимых авторами радиоавтографах мозга золотых рыбок видно, что преобладающий вклад в общее включение введенного в мозговые желудочки меченого предшественника в ДНК мозга вносят сильно метящиеся клетки в структурах, окружающих место инъекции. В этом случае подавление суммарного включения предшественника на 95% не исключает возможности гораздо меньшего подавления синтеза ДНК в структурах, наиболее удаленных от места инъекции. Относительной сохранностью синтеза ДНК и можно объяснить успешное обучение животных и сохранность навыка.

К выводу о важной роли синтеза ДНК для формирования памяти пришли К. Райнис и соавторы, исследовавшие влияние ингибиторов на формирование и сохранность памяти у мышей. При этом 5-иод-2-дезоксиуридин ухудшал память только при введении за два часа до обучения, а гидроксиламин необратимо нарушал воспроизведение памяти даже при введении через три недели после обучения. Более того, показано, что выработка условных рефлексов пассивного избегания у мышей сопровождается повышением включения меченого предшественника в ДНК различных областей неокортекса, причем это включение не связано с делением и миграцией нервных клеток и преимущественно локализовано в околоядрышковом хроматине. Существенными недостатками этой чрезвычайно впечатляющей по совокупности результатов серии исследований можно считать использование недостаточно специфических для синтеза ДНК ингибиторов и отсутствие удовлетворительных биохимических контролей.

Несколько лет назад появилось сообщение о том, что важную роль в формировании памяти может играть процесс обратной транскрипции. Авторы этого сообщения обнаружили, что в мозге и других тканях крыс присутствует РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность. В гиппокампе крыс быстрообучающейся генетической линии эта активность существенно выше, чем у крыс медленно обучающейся линии; более того, процесс выработки пищедобывательного условного рефлекса сопровождается возрастанием этой активности в гиппокампе почти в два раза. По мнению авторов, роль обратной транскриптазы при формировании памяти может состоять в избирательной амплификации специфически активных при обучении генов.

Выработка пищевых и оборонительных условных рефлексов у крыс сопровождается резкой интенсификацией синтеза ДНК в неокортексе. Этот эффект максимально выражен непосредственно после обучения и быстро затухает в последующие часы. Индуцированный обучением синтез ДНК весьма избирателен: он затрагивает главным образом малоповторенные в геноме последовательности ДНК. К сожалению, природа и функциональная роль этих последовательностей и самого избирательного синтеза ДНК остается пока невыясненной. Не исключено, что избирательное включение меченых предшественников при обучении в определенные последовательности ДНК обусловлено процессами репарации, сопряженными с активацией транскрипции в содержащих эти последовательности участках хроматина. Известно, например, что обучение сопровождается повышением активности ДНКаз в мозге крыс.

При выработке условного рефлекса активного избегания Л. Скарони и соавторы наблюдали сходное с уже описанным повышение синтеза ДНК в мозге крыс. Однако при хронической выработке сложного пищедобывательного навыка наблюдали уменьшение синтеза ДНК в большинстве отделов мозга. Исследование уровня синтеза ДНК в клетках разного типа и различных субклеточных органеллах показало, что индуцированные обучением изменения затрагивают ядерную и митохондриальную ДНК нейронов, причем последнюю — в большей степени. В ядерной ДНК эти изменения в разной степени затрагивают разные последовательности ДНК. По-видимому, разнонаправленные изменения в общем уровне синтеза ДНК в мозге при различных типах обучения связаны с тем, что этот показатель является слишком сложной интегральной характеристикой метаболизма ДНК, складывающейся из многих локальных эффектов, каждый из которых зависит от различных протекающих в мозге процессов. Известно, например, что уровень синтеза ДНК в мозге крыс повышается при депривации парадоксального сна, а также, что он испытывает закономерные циркадные колебания, выраженность которых зависит от времени года. Существенность синтеза ДНК для формирования памяти подтверждается также тем, что оба процесса подавляются при действии электрошока.

¦ Все эти данные свидетельствуют о возможном участии метаболизма ДНК в процессах формирования и хранения нейрологической памяти. К сожалению, механизмы этого участия пока остаются практически неизученными.

Энзиматическое метилирование остатков цитозина в ДНК клеток животных рассматривается как один из основных механизмов регуляции дифференциальной экспрессии генов. Для огромного количества генов обнаружена обратная корреляция между степенью метилирования остатков цитозина в области промотора и экспрессией.

Степень метилирования ДНК в различных отделах головного мозга и более тонких подразделениях каждого отдела неодинакова. Дексаметазон вызывает повышение, а ареколин — уменьшение степени метилирования ДНК в мозге. Степень метилирования ДНК в мозге крыс возрастает при старении.

При выработке сложного инструментального пищедобывательного условного рефлекса у крыс наблюдали обратимое повышение уровня метилирования ДНК в гиппокампе и неокорте ксе, а при выработке простого пищевого условного рефлекса — также и в мозжечке. Отмеченные изменения уровня метилирования затрагивают главным образом ядерную ДНК нейронов. Значение выявленных обратимых изменений в уровне метилирования ДНК мозга при обучении остается неизвестным. Представляется маловероятным, что они непосредственно связаны с регуляцией транскрипции генов, поскольку, как показали многочисленные исследования последних лет, активность генов мало зависит от общего уровня их метилирования и определяется скорее состоянием небольшого числа «критических» для транскрипции потенциально метилируемых участков в промоторной области. Сами масштабы и сроки обнаруженных сдвигов в метилировании ДНК при обучении свидетельствуют о том, что они связаны с сопоставимыми глобальными процессами синтеза ДНК и/или структурой реорганизации хроматина. В связи с этим было бы интересным выяснить возможную связь между изменением в уровне метилирования ДНК мозга и синтеза в нем метаболически лабильной ДНК. Следует отметить, однако, что вновь синтезированная в мозге крыс ДНК, индуцированная обучением, существенно не отличается от предшествовавшей ДНК по уровню метилирования. Приходится констатировать, что механизмы обратимого повышения метилирования ДНК при обучении и функциональная роль этого процесса пока остаются загадочными.

Основой долговременной памяти могут служить не только структурные изменения внутри ДНК. Существуют предположения, что устойчивое состояние, связанное с экспрессией либо депрессией определенных генов, формируется благодаря процессам, описываемым на базе, например, модифицированных моделей Жакоба и Моно. Конкретный процесс может, в частности, выглядеть следующим образом. В исходном состоянии транскриптон, ответственный за синтез данного белка, выключен определенным репрессором. В результате какого-то воздействия, например вследствие процессов, происходящих в синаптическом аппарате, происходит экспрессия транскриптона и синтез интересующего нас белка. После прекращения воздействия участок генома может снова оказаться репрессированным и синтез прекратится. Но в ряде случаев синтезируемый белок оказывается способным связывать репрессор своего оперона. Тогда возникает устойчивый цикл, который уже не прерывается после прекращения воздействия.

Такая схема объясняет, например, почему ингибиторы синтеза белка и ДНК не нарушают тех процессов, которые уже прошли консолидацию и зафиксированы в долговременной памяти. Для того чтобы прервать запущенный цикл, требуется прекратить синтез биополимеров полностью и на очень длительный срок, а это трудно совместить с жизнью животного, к тому же такие ингибиторы в настоящее время неизвестны. Если же синтез белка продолжается, хотя бы и с небольшой интенсивностью, цикл не может быть необратимо подавлен.

Первые экспериментальные указания на справедливость моделей такого типа получены при исследовании вентрального гиперстриатума во время формирования условных рефлексов пассивного избегания у цыплят. В мозге высших животных, как и в ЦНС аплизии, кратковременные и долговременные формы пластичности могут иметь общую структурную и отчасти молекулярную основу: существенным компонентом механизма длительной посттетанической потенциации в гиппокампе млекопитающих является фосфорилирование протеинкиназой С пресинаптического белка F1, который, как показало изучение первичной структуры мРНК, идентичен белку GAP-43 — важнейшему элементу процессов роста и регенерации нервных окончаний. Экспрессия гена GAP-43 очень активна в развивающемся мозге в период аксогенеза. В мозге взрослого человека ген GAP-43 наиболее активно экспрессируется в ассоциативных зонах неокортекса, гораздо ниже — в проекционных и моторных зонах, умеренно — в мозжечке, хвостатом ядре, покрышке, гиппокампе и цингулярной коре. В мозге взрослых крыс местами наиболее активной экспрессии гена GAP-43 являются гиппокамп и энторинальная кора, тогда как в неокортексе, мозжечке и стволовых структурах число экспрессирующих нейронов очень невелико. Содержащие GAP-43 аксоны образуют редкую, но распределенную по всему мозгу синаптическую сеть, которая, возможно, и является объектом реорганизации при всевозможных процессах долговременной пластичности.

Первые часы формирования долговременной памяти весьма уязвимы к действию агентов, подавляющих текущую экспрессию генов, тогда как на более поздних этапах она становится относительно устойчивой, Первичной мишенью действия ингибиторов на ранние этапы формирования памяти вряд ли может быть экспрессия поздних эффекторных генов GAP-43 или тирозингидроксилазного, поскольку повышение уровня их экспрессии обычно наблюдается на более поздних этапах. Маловероятно также, что включение различных эффекторных механизмов долговременной пластичности является прямым ответом на синаптическую активацию. Промежуточным звеном между этими процессами, объясняющими чувствительность ранних этапов формирования памяти к действию ингибиторов, является, вероятно, быстрая и обратимая активация так называемых немедленных ранних генов. Активация этих генов является наиболее ранним и быстропроходящим ответом клеточного ядра различных клеток на действие всевозможных внешних стимулов. Более поздним последствием этого процесса является активация экспрессии эффекторных генов, обеспечивающая долговременный адаптивный ответ клетки на действие внешнего стимула.

Одним из замечательных свойств немедленных ранних генов является их способность активироваться при действии самых разных внешних стимулов на клеточную мембрану. Эта способность основана на присутствии в промоторной области каждого из этих генов сложной мозаики взаимодействующих позитивных и негативных регуляторных элементов, узнаваемых разными системами вторичных посредников. В целом немедленные ранние гены кодируют несколько обширных семейств специфических белков-регуляторов транскрипции.

Способность этих белков к продуктивному взаимодействию с промоторными элементами разных эффекторных генов зависят как от индивидуальной специфичности каждого из белков, так и от их способности объединяться в гомои гетеродимеры. Показано, что ген c-fos опосредует индуцированную фактором роста нервов дифференцировку клеток PC 12 в неделяшиеся ацетилхолин-чувствительные клетки, сходные с симпатическими нейронами. Долговременная адаптация клеток мозга мыши к действию конвульсантов метразола и пиротоксинй включает стадию быстрой активации немедленных ранних генов. Этот эффект не имеет непосредственного отношения к судорожному действию препаратов и затрагивает обширные популяции нейронов в разных отделах мозга.