Эксперименты Р. Мэрка:
Р. Мэрк 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 склевываний, уже безошибочно выбирали зерна. Если перед началом обучения в мозг птенцам вводили циклогексимид, ингибирующий синтез белка, то обучение во время сеанса не нарушалось, но предотвращалось закрепление навыка, и через сутки цыплят приходилось обучать сначала. Если же перед началом обучения в мозг птенцам вводили ингибиторы Na-, К-, АТФазы, изменяющие функционирование синапса, выработка реакции различения зерен и гальки в день обучения полностью предотвращалась. Однако ингибиторы Na-, К-, АТФазы не препятствовали формированию долговременного навыка. Через 30 мин после обучения цыплята уже предпочитали зерна гальке, а через 1 час 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-, АТФазы препятствует доступу к кратковременной памяти, но не мешает консолидации. Ингибитор синтеза белка, наоборот, нарушает консолидацию, но не влияет на форму обучения, равную нескольким минутам. Другими словами, эти процессы до известной степени независимы.
Вернемся к вопросу, какие механизмы обеспечивают хранение энграммы в течение ООП. С нейрофизиологической точки зрения поведенченский акт обусловлен включением определенной группы нейронов, обеспечивающих его целенаправленное протекание и координацию составляющих его элементов. Следовательно, процесс запоминания или выработки нового навыка можно рассматривать как приобретение группой нервных клеток 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 навыка вероятность передачи возбуждения в определенных сетях нейронов становится выше, чем в других сетях, в результате чего складываются “предпочтительные”, т.е. наиболее вероятные ансамбли нейронов.
Теперь рассмотрим последовательно процессы, происходящие в нейроне в результате прихода импульсов к синаптическому аппарату:
когда нервный импульс приходит к синаптическому окончанию, происходит освобождение медиатора, который взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны. 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 (не более 0,1 секунд), 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 глии и влиять на их деятельность, что в некоторых теориях рассматривается как один из факторов, участвующих в процессах памяти.
Особенно важное значение имеет повышение внутриклеточной концентрации кальция, которое может происходить как за счет вхождения этого иона в клетку извне, так и благодаря мобилизации внутриклеточных ресурсов.
Гипотеза Г. Линча и М. Бодри (1984):
. концентрация ионов кальция в нейроне вблизи постсинаптической мембраны оказывается повышенной вследствие серии приходящих к синаптическому аппарату нервных импульсов;
. в постсинаптической мембране активируется кальций - зависимая протеиназа - калпеин;
. калпеин расщепляет расположенный здесь белок фодрин. При этом обнажаются чувствительные к глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокированы фодрином;
. увеличение числа активных рецепторов глутамата обусловливает повышенную проводимость синапса в течение нескольких суток, и он участвует в формировании “предпочтительных” ансамблей нейронов.
Доказательства гипотезы:
. Кальций - связывающие агенты и лей-пептин (ингибитор протеиназ) препятствуют формированию памяти;
. при электронно-микроскопическом анализе постсинаптических мембран глутаминергических синапсов показано, что после прохождения серии нервных импульсов здесь увеличивается число малых отростков, которые, вероятно, являются рецепторами глутамата;
. под влиянием ионов кальция связывание глутамата увеличивается именно в тех областях мозга, которые принимают наиболее активное участие в процессах обучения и консолидации, а именно, в коре и гиппокампе.
Другой механизм повышения проводимости синапса:
Ионы кальция активируют протеинкиназу C, которая фосфорилирует белок B-50, который повышает уровень фосфорилирования фосфатидилинозитолов, что повышает проводимость синапса.
Необычная протеинкиназа: кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (КЗП II) первично активируется ионами кальция или кальмодулином, а затем способна к аутофосфорилированию, т.е. к самоактивации, и может участвовать в длительном повышении проводимости синапса, что является почвой для перспективных исследований.
Участие циклических нуклеотидов:
. медиаторы непосредственно или через аденилат- или гуанилатциклазу активируют или ингибируют образование циклических нуклеотидов;
. образовавшиеся цАМФ и цГМФ активируют протеинкиназы A и G, фосфорилирующие специфические белки (вероятно, иные белки, чем те, которые фосфорилируются под действием Ca-зависимых протеинкиназ).
Нейроспецифические белки: Изменение интенсивности фосфорилирования белков, в частности белков хроматина, РНК-полимеразы и рибосом влияет на синтез нейроспецифических белков. Среди таких белков наиболее исследованы два - белок S-100 и белок 14-3-2. Эти белки считаются нейроспецифическими, так как их содержание в головном мозге значительно превышает их содержание в любом другом органе (для S-100 приблизительно в 10000, а для 14-3-2 - в 100-200 раз). При этом показано, что 14-3-2 содержится главным образом в нейронах, a S-100 - в клетках глии и в синапсах, что дает основание полагать, что он участвует в формировании связей между нейронами.
Также известно, что содержание S-100 и 14-3-2 в нейронах гиппокампа начинает возрастать примерно через час после обучения, достигает максимума через 3-6 часов и через несколько суток возвращается к исходному уровню.
Свидетельством 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 изменялось.
“Запомнить - значит понять”
Г.Маттиес утверждал: “Осмысление информации осуществляется до или в начале периода консолидации и зависит от ее биологической значимости”. Соответственно, чем лучше осмысленна информация, тем надежнее она сохраняется в памяти.
На стадии пожизненной долговременной памяти (ДПП) происходит, по-видимому, не модификация существующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для чего необходимы устойчивые перестройки в функционировании участков генома. Доказательства:
) нарушается ингибиторами синтеза белка;
) в период консолидации интенсифицируются процессы, связанные с синтезом белков:) интенсивное включение лейцина и фуктозы в гликопротеиды;
б) Г. Маттиес выделяет два временных максимума: первый - через 1-1,5 часа после обучения - связан с синтезом растворимых белков, а второй - через 6-10 часов после обучения - связан с синтезом нерастворимых белков.
Однако просто разовым синтезом белков с новой структурой нельзя объяснить ДПП. Наиболее стабильные из известных белков имеют период полураспада, не превышающий несколько месяцев, что явно несопоставимо с продолжительностью жизни высших животных. Поэтому для того, чтобы след мог сохраняться в ДПП в течение многих лет, требуется одновременный запуск какой-то устойчивой системы для постоянного обновления соединений данного типа. Какие механизмы способны обеспечить функционирование такой системы? 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 могут протекать при формировании ДПП. Существенность синтеза ДНК для формирования ДПП подтверждается также тем, что оба процесса подавляются при действии электрошока.
Избирательный синтез ДНК в неокортексе: Выработка пищевых и оборонительных условных рефлексов у крыс сопровождается резкой интенсификацией избирательного 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 остается пока невыясненной.
Исследования К. Райниса:
выработка условных рефлексов пассивного избегания у мышей сопровождается повышением включения меченого тимидина в ДНК различных областей неокортекса, причем это включение не связано с делением и миграцией нервных клеток и преимущественно локализовано в околоядрышковом хроматине.
Эксперименты Л. Скарони:
При выработке условного рефлекса активного избегания Л.Скарони наблюдал сходную с описанной выше интенсификацию синтеза ДНК в неокортексе. Однако при длительной выработке сложного пищедобывательного навыка (доставание пищи не предпочитаемой лапой) наблюдали уменьшение синтеза ДНК в большинстве отделов мозга. Исследование уровня синтеза ДНК в клетках разного типа (нейроны и глия) и различных субклеточных органеллах (ядро и митохондрии) показало, что индуцированные обучением изменения затрагивают в основном митохондриальную ДНК нейронов. В ядерной ДНК эти изменения в разной степени затрагивают разные по степени повторенности в геноме последовательности ДНК.
Также зарегистрированы цикличные колебания уровня экспрессии ДНК в мозге крыс, выраженность которых зависит от времени года.
Возможный механизм регуляции дифференциальной экспрессии генов:
ферментативное метилирование остатков цитозина в ДНК клеток животных понижает уровень экспрессии генов. Дексаметазон вызывает повышение, а ареколин - понижение степени метилирования ДНК в мозге. Степень метилирования ДНК в мозге крыс возрастает при старении. Здесь можно вспомнить об известной поговорке: “Много будешь знать - скоро состаришься”.
Другая теория регуляции экспрессии генов:
в исходном состоянии транскриптон, ответственный за синтез некоторого белка, выключен репрессором. В результате определенных процессов, происходящих в синаптическом аппарате, происходит экспрессия транскриптона. После прекращения воздействия участок генома может снова оказаться репрессированным и синтез белка прекратится. Но в ряде случаев синтезированный белок оказывается способным связывать репрессор своего оперона. Тогда возникает устойчивый цикл, который уже не прерывается после прекращения синаптических процессов. Такая теория объясняет, например, почему ингибиторы синтеза белка и ДНК не вызывают забывание той информации, которая уже зафиксирована в ДПП, ведь для того, чтобы прервать запущенный цикл, требуется прекратить синтез биополимеров полностью и на очень длительный срок, а это трудно совместить с жизнью животного. Если же синтез белка продолжается, хотя бы с небольшой интенсивностью, цикл не может быть необратимо подавлен.
Первые экспериментальные указания на справедливость приведенной выше теории получены при исследовании вентрального гиперстриатума во время формирования условных рефлексов пассивного избегания у цыплят.
Ген GAP-43:
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 поясной извилине. В мозге взрослых крыс ген GAP-43 наиболее активно экспрессируется в гиппокампе и энторинальная коре, гораздо ниже - в неокортексе, мозжечке и стволовых структурах. Аксоны, содержащие продукты экспрессии гена GAP-43 образуют редкую, равномерно распределенную по всему мозгу сеть, которая, возможно, и является объектом реорганизации при процессах фиксации следа в ДПП.
Гипотеза об иммунологических механизмах ДПП:
при многократном прохождении импульсов через синапс усиливается синтез специфических белков, характерных лишь для данной группы нейронов. Эти белки являются компонентами синаптических мембран и при отсутствии повторной импульсации синтезируются в количествах, достаточных только для самообновления. Если же происходит многократная импульсация, синтез этих белков значительно усиливается, и в результате возникающего их избытка они начинают выделяться в околосинаптическое пространство. Выделившиеся белки обладают антигенными свойствами и взаимодействуют с клетками глии, которые, по сходству с лимфоцитами, способны размножаться и продуцировать соответствующие антигенам антитела. Антитела, продуцированные клетками глии, связываются с антигенами-белками и модифицируют проводимость синапса.
Таким образом, мозг является в некоторой мере автономной иммунной системой.
Способность к продукции антител данным клоном клеток глии может сохраняться в течение всей жизни организма так же, как это свойственно иммунологической памяти вообще. Столь же продолжительной оказывается модификация проводимости синапса, что и служит основой ДПП.
память нейрон импульс возбуждение
4. Роль циркуляции импульсов по
кольцевым связям в процессах памяти
Памятью называется способность человека сохранять и воспроизводить информацию о ранее произошедших событиях внешнего мира. Различают кратковременную, промежуточную и долговременную память. Кратковременная память характеризуется временем хранения информации от долей секунды до нескольких минут, при этом определяется значимость поступающей информации: если информация важна, то она переходит в другую категорию памяти, если нет, то исчезает. Промежуточная память длится в течение десятков минут или часов и определяет формирование мыслей на определенный период времени. В долговременной памяти информация может сохраняться в течение всей жизни человека, что и обеспечивает запечатление наиболее важных событий.
В основе механизма памяти лежит циркуляция нервных импульсов по кольцевым связям нейронов коры больших полушарий. При формировании долговременной памяти происходит также фиксация, хранение и воспроизведение временных связей в виде белковых молекул.
В запечатлении и извлечении следов памяти участвуют тысячи нейронов коры головного мозга, лимбической системы, таламуса и других нервных центров. Эти следы, как известно, распределены диффузно, но в хранении и извлечении памяти особую роль играют два отдела коры - гиппокамп и височная доля неокортекса.
Для образования долговременной памяти требуется несколько часов. Процесс запечатления следов памяти легко может быть нарушен - например электорошоком, охлаждением мозга или наркозом. Особенно четко эти нарушения выявляются, если воздействовать на гиппокамп. Больные с двусторонними поражениями гиппокампа не способны к длительному запоминанию, хотя опыт, запечатленный до поражения гиппокампа, не страдает.