Память на молекулярном уровне

Исследования лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине Эрика Канделя (Eric Richard Kandel) легли в основу новой науки о человеческом мозге. Со времени его первых экспериментов, посвященных работе памяти, прошло около 50 лет. За это время наука значительно продвинулась в понимании механизмов формирования памяти, вплоть до молекулярного уровня. Сейчас никто не сомневается, что запоминание связано с изменением структуры мозга на клеточном уровне.

Чтобы изучать процессы запоминания, Эрику Канделю нужно было выбрать удачный модельный объект. В конце концов он остановил свой выбор на крупном брюхоногом моллюске рода Aplysia (аплизия), живущем на побережье штата Калифорния. Иногда аплизий называют также морскими зайцами. Встала задача выбрать, какую именно форму поведения изучать. Большинство из них оказались слишком сложными, чтобы с ними было удобно проводить эксперименты: различные формы пищевого, двигательного, социального поведения. Но нашлась одна очень простая: рефлекс втягивания жабр при прикосновении к сифону. Сифон — это полая мясистая трубка, по которой из тела моллюска выводятся отходы жизнедеятельности. Смысл рефлекса очевиден — защита жабр от возможных повреждений.

Запоминание у любых организмов, в том числе и человека, происходит за счет изменения в синаптических контактах между нервными клетками. Они могут усиливаться или ослабляться. Для формирования кратковременной памяти достаточно однократного воздействия раздражителя, но и сохраняется она минуты или часы. А для долговременного запоминания необходимо многократно действовать стимулом, зато время хранения воспоминаний составляет дни или месяцы. Рассмотрим механизм формирования кратковременной памяти на примере простейшего рефлекса аплизии. Кандель и соавторы провели такой эксперимент: одновременно с прикосновением к сифону один раз били током по задней части тела моллюска. После этого реакция на прикосновение усиливалась, и это усиление сохранялось в течение нескольких минут. Это и есть кратковременная память на примере очень простой формы поведения.

Ученые хотели установить взаимосвязь между интенсивностью поведенческой реакции и изменениями в нервной системе. Для начала нужно было понять, какая часть нервной системы отвечает за втягивание жабр при прикосновении к сифону. Удалось выявить небольшую цепочку нейронов, которые осуществляют этот рефлекс и отвечают за его изменение при ударах тока в заднюю часть тела моллюска. Этих нейронов всего четыре — два обеспечивают сам рефлекс и еще два — его регуляцию.

Попробуем представить происходящие события: мы касаемся сифона, моллюск это чувствует, значит, мы возбуждаем чувствительный нейрон. Моллюск в ответ втягивает жабры — в этом задействованы жаберные мышцы. Получается, импульс по двигательному нейрону доходит до мышц и заставляет их сокращаться. При прикосновении к сифону мышцы жабр всегда втягиваются, то есть чувствительный нейрон и двигательный нейрон последовательно соединены между собой: они передают по цепочке информацию от сифона к жаберным мышцам. Еще две нервные клетки настраивают этот рефлекс. Одна клетка тоже реагирует на прикосновение к сифону. Она передает на клетку и нервный импульс, но не к мышце, а к пресинаптиче-скому окончанию чувствительного нейрона основной цепи (см. картинку). Эта цепь называется модулирующей.

Оказалось, что если стимулировать ударами тока один из нейронов модулирующей цепочки, сигнал в основной цепи передается с большей интенсивностью. А значит, если моллюска ударить током, то при прикосновении к сифону жабры втягиваются сильнее. То есть выделение медиатора из аксона модулирующего нейрона изменяет силу синаптиче-ской связи в основной цепи.

Следующая стадия понимания этого процесса: биохимические механизмы усиления синаптической связи. Группе Канделя стало интересно, какие химические изменения внутри клетки происходят во время изменения рефлекса. Если нервный импульс в чувствительной клетке пройдет одновременно с импульсом модулирующего нейрона кпресинаптическому окончанию чувствительного нейрона в цепочке рефлекса, то в другой раз синапс основного нейрона будет передавать сигнал большей силы. Это происходит за счет того, что выделяется больше медиатора. Каким же образом модулирующий нейрон меняет синапс? В этом участвуют специальные молекулы, поиском которых занялись исследователи.

Информация из окружающей среды в клетку и внутри нее передается химическим путем. Это осуществляется с помощью специальных сигнальных молекул, которые связываются с белками- рецепторами на мембране клетки. Участие определенных сигнальных молекул в запоминании сначала предполагалось теоретически. Далее их роль в этом процессе проверялась следующим образом. Проверяемые молекулы вводили в синапс и смотрели, происходило ли точно такое же усиление синаптической связи, как и при стимуляции модулирующим аксоном. Когда нервный импульс доходит до конца аксона модулирующего нейрона, выделяется медиатор — серотонин. Серотонин связывается с одним из рецепторов на поверхности пресинаптического окончания сенсорного нейрона. Рецептор запускает определенный сигнальный каскад. В результате работы этого каскада химически модифицируются некоторые белки (к ним привешивается фосфатная группа), ответственные за выброс медиатора в синаптическую щель. Их изменение приводит к большему выбросу медиатора.

Но это изменение не является долговременным. Дело в том, что измененные белки со временем разрушаются, а на смену им приходят немодифицированные. Поэтому до тех пор, пока опять не придет сигнал с модулирующего нейрона, сила синаптической связи становится прежней.

Теперь механизм кратковременной памяти, пусть и для простых форм поведения, прояснился. В принципе, если говорить о сложных формах поведения для других организмов, в том числе и человека, в основе он остается таким же. А именно: приходит модулирующий сигнал, активируется сигнальный каскад, белки модифицируются — и это приводит к выбросу большего количества медиатора. Разница есть лишь в частностях, например в сигнальных каскадах. Для долговременного «запоминания» рефлекса нужно периодически повторять удар током при прикосновении к сифону.

Дальнейшие исследования группы Канделя были посвящены долговременной памяти. Было выяснено, что перевод информации в долговременную память сопряжен с синтезом новых белков. Причем новые белки образуются в тех же нейронах, в которых происходят изменения, связанные с кратковременной памятью. А где синтез новых белков — там и активация ранее не работавших генов. Эксперименты по исследованию активации генов и синтеза новых белков были выполнены на нейронах, искусственно выращенных в клеточной культуре.

Если нейрон стимулируется достаточно долго, то сигнального белка, который приводит к кратковременному усилению синаптической связи, активируется достаточно, чтобы сигнальный каскад дошел из синапса до ядра клетки, что приводит к включению ранее неактивных генов и синтезу белков, нужных для долговременного усиления синаптической связи. Усиление связи происходит за счет увеличения количества медиатора и отращивания аксоном новых синапсов.

Описанные нами исследования затрагивают пресинапс. Изменения в постсинапсе тоже очень важны, и есть множество посвященных им работ.

Было установлено, что важная молекула в постсинапсе — это про-теинкиназа М-зета. Это единственная молекула, участвующая только в сигнальном каскаде, приводящем к долговременным изменениям в постсинапсе, и не встречающаяся в других реакциях. Конечно, это не единственная молекула из «каскада памяти», но все остальные вовлечены во множество других физиологических процессов.

За счет нее и поддерживаются долговременные изменения в постсинапсе. Своей фосфорилирующей активностью она снимает блокировку с трансляции собственной иРНК (информационной, или матричной, РНК). То есть появившись единожды, ПкМ-зета будет постоянно поддерживать свой синтез.

В России долговременными изменениями в постсинапсе занимается группа Павла Балабана из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (ИВНДиНФ РАН).

Как было выяснено относительно недавно, долговременные изменения в пресинапсе заключаются только в его росте.

«Изменения в пресинапсе зарегистрированы на молекулярном уровне в течение десятков часов, после чего либо он растет, что оказалось напрямую связано с постсинапсом, либо всё возвращается к норме. 5-10 лет назад вообще все изменения в синапсах ошибочно трактовали как пресинаптические», — объясняет Павел Балабан.

Группа Павла Балабана исследует роль ПкМ-зета в памяти, используя следующую модель. В террариуме, в котором содержат улиток, есть два типа поверхности — плоская и искривленная. У улиток вырабатывают рефлекс избегания искривленной поверхности: когда они заползают на нее — их бьют током. Если в этот момент им ввести специфический блокатор ПкМ-зета, то рефлекс забывается. Но если им напомнить об опасности — опять ударить током улитку, когда она ползет по ней, — то они вновь избегают такой поверхности.

Возникает проблема: у каждого нейрона множество синапсов, которые не должны изменяться, потому что они запускают другие рефлексы. Ядро на весь нейрон одно, а долговременные изменения должны касаться только одного синапса. Синтезированные в ядре РНК кодирующие белки увеличения силы синапса распространяются по всей клетке и по отросткам проникают во все синапсы. Это в свою очередь должно приводить к долговременному усилению всех синапсов. Очевидно, что нужна более тонкая регуляция.

Для решения этой загадки Кандель и соавторы вооружились методами молекулярной биологии и продолжили работу. Выяснилось, что РНК, распространяющиеся по всему синапсу, — «спящие» — с них не синтезируется белок до того момента, пока их не «разбудит» определенный сигнал. Этим сигналом является белок, обладающий прионными свойствами, который называется CPEB. Прионы — белковые молекулы, которые способны спонтанно изменять свою пространственную структуру, тем самым вызывая заболевания тех организмов, в которых они находятся. СРЕВ тоже может изменять свою пространственную структуру, но, во-первых, он делает это не спонтанно, а во-вторых, это не приводит к заболеванию. Он находится во всех синапсах нейрона в нормальной форме и дожидается, пока придет сигнал изменить форму. CPEB меняет свою структуру только в результате того самого сигнального каскада. СРЕВ с измененной пространственной структурой и будит «спящие» РНК. При наличии измененного CPEB с этих РНК начинают синтезироваться белки. Эти белки не только увеличивают выброс медиатора, но и приводят к росту новых отростков аксона и новых синапсов. Таким образом, белки, необходимые для усиления связи между двумя нейронами, синтезируются только в синапсе, помеченном СРЕВ с ненормальной пространственной структурой.

Сейчас ученые не сомневаются в том, что все психические процессы базируются в мозге с участием нервных клеток и сигнальных молекул. Значит, психика эволюционировала вместе с мозгом. Поэтому многие механизмы, лежащие в основе психической деятельности человека, достались нам от далеких предков, и их можно исследовать на более простых организмах. Несмотря на то, что первые эксперименты были выполнены на таком простом организме, как моллюск, дальнейшие исследования показали, что основные принципы формирования памяти распространяются на более сложные организмы, в том числе и человека.

В нашем мозге миллиарды нервных клеток, и они образуют триллионы связей между собой. Как ни удивительно, эти связи обеспечивают все возможные знания и формы поведения. Можно сказать, что каждый из нас уже умеет играть на скрипке, управлять самолетом и читать лекции по теоретической физике. Просто для этого связи между клетками мозга недостаточно сильны. Чтобы чему-то научиться или что-то запомнить, нужно, чтобы конкретные связи между нейронами усилились, а достичь этого можно тренировками и повторением.

Ксения Худякова,
студентка факультета фундаментальной медицины МГУ,

Степан Овчинников,
студент биологического факультета МГУ