1.    
  2.    
  3.     Як працює пам’ять людини

Як працює пам’ять людини

 

Нейробіологи з Канади і США виявили, що в запам’ятовуванні простих навичок беруть участь не всі нервові клітини, отримують необхідну для цього інформацію, а лише близько чверті з них. Те, які саме нейрони візьмуть участь у формуванні довготривалої пам’яті, залежить від концентрації регуляторного білка CREB у клітинному ядрі. Якщо штучно підвищити концентрацію CREB в деяких нейронах, запам’ятовувати будуть саме вони. Якщо заблокувати CREB в частині нейронів, роль запам’ятовуючих візьмуть на себе інші нервові клітини.

Одним з найбільш блискучих досягнень нейробіології XX століття стала розшифрування молекулярних механізмів пам’яті. Нобелівський лауреат Ерік Кандел і його колеги зуміли показати, що для формування справжньої пам’яті — як короткочасної, так і довготривалої — достатньо всього трьох нейронів, певним чином з’єднаних між собою.

Пам’ять вивчалася на прикладі формування умовного рефлексу у гігантського молюска — морського зайця Aplysia. Молюскові обережно чіпали сифон, і негайно слідом за цим сильно били по хвосту. Після такої процедури молюск деякий час реагує на легкий дотик до сифону бурхливої захисною реакцією, але незабаром все забуває (короткочасна пам’ять). Якщо «навчання» повторити кілька разів, формується стійкий умовний рефлекс (довготривала пам’ять).

Виявилося, що процес навчання і запам’ятовування не має нічого спільного з якимись вищими, ідеальними або духовними матеріями, а повністю пояснюється досить простими і абсолютно автоматичними подіями на рівні окремих нейронів. Весь процес можна повністю відтворити на найпростішій системі з трьох ізольованих нервових клітин. Один нейрон (сенсорний) отримує сигнал від сифона (в даному випадку — відчуває легкий дотик). Сенсорний нейрон передає імпульс моторного нейрона, який, у свою чергу, змушує скорочуватися м’язи, що беруть участь у захисній реакції (Aplysia втягує зябру і викидає у воду порцію червоних чорнила). Інформація про удар по хвосту надходить від третього нейрона, який в даному випадку відіграє роль модулюючого. Нервовий імпульс від одного нейрона до іншого передається за допомогою викиду сигнальних речовин (нейромедіаторів). Точки міжнейронних контактів, у яких відбувається викид нейромидиатора, називаються синапсами.

 

За цю картинку Еріку Канделу дали Нобелівську премію. Тут показано, як у найпростішій системі з трьох нейронів формується короткочасна і довготривала пам’ять

На малюнку показані два синапсу. Перший служить для передачі імпульсу від сенсорного нейрона до моторного. Другий синапс передає імпульс від модулюючого нейрона до закінчення сенсорного. Якщо в момент дотику до сифону модулюючий нейрон «мовчить» (за хвоста не б’ють), в синапсі 1 викидається мало нейромедіатора, і моторний нейрон не збуджується.

Однак удар по хвосту призводить до викиду нейромедіатора в синапсі 2, що викликає важливі зміни в поведінці синапсу 1. У закінченні сенсорного нейрона виробляється сигнальне речовина cAMP (циклічний аденозинмонофосфат). Ця речовина активізує регуляторний білок — протеинкиназу А. Протеїнкіназа А, в свою чергу, активізує інші білки, що в кінцевому рахунку призводить до того, що синапс 1 при порушенні сенсорного нейрона (тобто у відповідь на дотик до сифону) починає викидати більше нейромедіатора, і моторний нейрон збуджується. Це і є короткочасна пам’ять: поки в закінченні сенсорного нейрона багато активної протеїнкінази А, передача сигналу від сифона до м’язів зябра і чорнильного мішка здійснюється більш ефективно.

Якщо дотик до сифону супроводжувався ударом по хвосту багато разів поспіль, протеїнкінази А стає так багато, що вона проникає в ядро сенсорного нейрона. Це призводить до активізації іншого регуляторного білка — транскрипційного фактора CREB. Білок CREB «включає» цілий ряд генів, робота яких в кінцевому рахунку призводить до розростання синапсу 1 (як показано на малюнку) або до того, що у закінчення сенсорного нейрона виростають додаткові відростки, які утворюють нові синаптичні контакти з моторним нейроном. В обох випадках ефект один: тепер навіть слабкого порушення сенсорного нейрона виявляється достатньо, щоб порушити моторний нейрон. Це і є довготривала пам’ять. Залишається додати, що, як показали подальші дослідження, у вищих тварин і в нас з вами пам’ять заснована на тих же принципах, що і у аплизии.

Після цього необхідного вступу можна перейти до розповіді про те, що, власне, відкрили канадські і американські нейробіологи. Вони досліджували формування у лабораторних мишей умовних рефлексів, пов’язаних зі страхом. Найпростіші рефлекси такого роду формуються в латеральної амигдале (ЛА) — дуже маленькому відділі мозку, що відповідає за реакцію організму на всякі страшні стимули. Мишей привчали, що після того, як лунає певний звук, їх б’є струмом. У відповідь на удар струмом миша завмирає: це стандартна реакція на переляк. Миші — розумні тваринки, їх можна навчити багато чому, і умовні рефлекси у них формуються швидко. Навчені миші завмирають, ледь зачувши звук, що віщує небезпеку.

Вчені виявили, що сигнал від нейронів, які сприймають звук, надходить приблизно 70% нейронів латеральної амигдалы. Однак зміни, пов’язані з формуванням довгострокової пам’яті (зростання нових нервових закінчень тощо), у навчених мишей відбуваються лише в четвертій частині цих нейронів (приблизно у 18% нейронів ЛА).

Вчені припустили, що між нейронами ЛА, потенційно здатними прийняти участь у формуванні довготривалої пам’яті, відбувається своєрідне змагання за право відростити нові синапси, причому імовірність успіху» того чи іншого нейрона залежить від концентрації білка CREB в його ядрі. Щоб перевірити це припущення, мишам робилися мікроін’єкції штучних вірусів, не здатних до розмноження, але здатних робити повноцінний білок CREB або його нефункціональний аналог CREBS133A. Гени обох цих білків, вставлені в геном вірусу, були «пришиті» до гена зеленого що флуоресціює білка медузи. У підсумку ядра тих нейронів ЛА, в які потрапив вірус, починали світитися зеленим.

З’ясувалося, що в результаті мікроін’єкції вірус проникає приблизно в таку ж кількість нейронів ЛА, яке бере участь у формуванні умовного рефлексу. Це випадковий збіг виявилося досить зручним.

Крім нормальних мишей, у дослідах використовувалися миші-мутанти, у яких не працює ген CREB. Такі миші повністю позбавлені здатності до навчання, вони нічого не можуть запам’ятати. Виявилося, що введення вірусу, що виробляє CREB, в ЛА таких мишей повністю відновлює здатність до формування умовного рефлексу. Але, може бути, збільшення концентрації CREB в деяких нейронах ЛА просто підсилює реакцію «завмирання»?

Щоб перевірити це, були поставлені досліди з більш складним навчанням, в яких миша повинна була «усвідомити» зв’язок між звуком і ударом струму не безпосередньо, а опосередковано, причому для цього потрібно запам’ятати певний контекст, в якому відбувалося навчання. Для цього недостатньо роботи однієї лише ЛА, а потрібно ще й участь гіпокампу. У такій ситуації миші-мутанти не змогли нічому навчитися, адже в гіпокамп їм вірусів не вводили. Отже, концентрація CREB впливає саме на запам’ятовування, а не на схильність до завмирання.

За допомогою серії додаткових експериментів вдалося довести, що в запам’ятовуванні у мишей-мутантів беруть участь саме ті нейрони ЛА, які заразилися вірусом. Введення вірусу в ЛА здорових мишей не вплинуло на їх здатність до навчання. Однак, як і у випадку з мишами-мутантами, в запам’ятовуванні брали участь саме ті нейрони ЛА, в які потрапив вірус.

Інший вірус, що виробляє CREBS133A, позбавляє заражені нейрони здатності запам’ятовувати, тобто відрощувати нові закінчення. Вчені припустили, що введення цього вірусу в ЛА здорових мишей не має, тим не менш, знижувати їх здатність до навчання, оскільки вірус заражає лише близько 20% нейронів ЛА, і роль «запам’ятовуючих» візьмуть на себе інші, незаразившиеся нейрони. Так і виявилося. Миші навчалися нормально, але серед нейронів, які взяли участь у запам’ятовуванні, практично не виявилося заражених (тобто світяться зеленим світлом).

Вчені провели ще цілий ряд складних експериментів, що дозволило виключити всі інші варіанти пояснень, крім одного — того самого, яке відповідало їх початковим припущенням.

Таким чином, у запам’ятовуванні беруть участь не всі нейрони, отримують необхідну для цього інформацію (у даному випадку — «сенсорну інформацію про звук і «моделюючу» — про удар струмом). Почесну роль запам’ятовуючих бере на себе лише деяка частина цих нейронів, а саме ті, в ядрах яких виявилося більше білка CREB. Це, загалом, логічно, оскільки висока концентрація CREB в ядрі як раз і робить такі нейрони найбільш схильними» до швидкого отращиванию нових закінчень.

Незрозумілим залишається механізм, за допомогою якого інші нейрони дізнаються, що справу вже зроблено, переможці названі і їм самим вже не потрібно нічого собі відрощувати.

Цей механізм може бути досить простим. Абсолютно аналогічна система регулювання відома у нитчастих ціанобактерій, нитки яких складаються з двох типів клітин: звичайних, які займаються фотосинтезом, і спеціалізованих «гетероцист», що займаються фіксацією атмосферного азоту. Система працює дуже просто: коли спільноті бракує азоту, фотосинтезирующие клітини починають перетворюватися в гетероцисты. Процес до певного моменту є оборотним. Клітини, зайшли по цьому шляху досить далеко, починають виділяти сигнальне речовина, яка не дає перетворитися в гетероцисты сусіднім клітинам. У результаті виходить нитка з якимось цілком певним співвідношенням звичайних клітин і гетероцист (наприклад, 1:20), причому гетероцисты розташовуються приблизно на рівній відстані один від одного.

На мій погляд, називати подібні регуляторнті механізми «конкуренцією», як це роблять автори статті, не зовсім правильно, акцент тут повинен бути іншою. Нейрон не отримує ніякої особистої вигоди від того, що саме він візьме участь у запам’ятовуванні. По-моєму, тут доречніше говорити не про конкуренцію, а про справжнісінькою кооперації.

Автор: Олександр Марков

За матеріалами: Jin-Hee Han, Steven A. Kushner, Adelaide P. Yiu, Christy J. Cole, Anna Matynia, Robert A. Brown, Rachael L. Neve, John F. Guzowski, Alcino J. Silva, Sheena A. Josselyn. Neuronal Competition and Selection During Memory Formation 2007. V. 316. P. 457-460.

26.11.2016

Написати коментар