Молекулярные механизмы памяти

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВПО Российский Национальный Исследовательский Медицинский Университет

Кафедра молекулярной биологии и медицинской биотехнологии

Курсовая работа по теме:

Молекулярные механизмы памяти

Климчук Олеси Игоревны,

студентки 240 группы

Медико-биологического факультета

Москва, 2012

Содержание

Введение

Локализация энграммы в мозге

Минимальная кратковременная память (КПМ)

Память, относительно ограниченная во времени (ООП)

Пожизненная долговременная память (ДПП)

Заключение

Использованная литература

Введение

Исследование молекулярных механизмов памяти ведется в последние десятилетия с большой интенсивностью. Однако, несмотря на огромный объем экспериментальных данных и постоянное совершенствование экспериментальной техники, широкий круг вопросов пока остается невыясненным, и не создано единой теории для объяснения всего процесса памяти.

При исследовании молекулярных механизмов памяти исходят из того, что при процессе запоминания происходят молекулярные и/или цитологические изменения в нейронах, способные сохраняться в течение некоторого промежутка времени. И перед учёными стоит задача выяснить, в чём же заключаются эти изменения? Как организована память в системе целого мозга? Где происходит фиксация следа памяти? Существует один или несколько типов памяти?

Рассмотрим теперь возможные ответы на эти вопросы.

Локализация энграммы в мозге

В 1904 году H.A.Simon так сформулировал понятие “энграмма” (греч. енгсЬммб - “внутренняя запись”):

“функциональные изменения в головном мозге, оставляющие после себя след, который при необходимости может быть извлечен”.

То есть, энграмма является материальным субстратом памяти.

Модель памяти на основе классической теории условных рефлексов:

основные функции, связанные с восприятием внешнего мира и с двигательными реакциями на внешние воздействия, имеют представительство в строго локализованных участках мозговой коры. При выработке условного рефлекса происходит “замыкание” связи между определенными участками коры головного мозга. При повреждении коркового центра нарушаются запоминание и рефлекторные реакции.

Эксперименты К.Лэшли (1920-е годы):

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. То есть, можно сказать, что память широко и равномерно распределена по всем корковым зонам. 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”.

Как видно, обе эти концепции противоречат друг другу. Современная теория памяти примиряет их:

выработка лабиринтной реакции зависит от многих видов информации (например, зрительной, моторной, обонятельной) и каждый вид информации фиксируется в определенных участках коры. 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 определенный участок коры, и делокализована в том смысле, что целостная реакция осуществляется при взаимодействии многих участков, расположенных в различных зонах коры.

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 рефлексов и запоминания информации. 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.

Первый протез гиппокампа:

Исследователи из университета Южной Калифорнии, США, работают над созданием искусственного гиппокампа. Ученые проводили испытания на крысах. Исследователи показали, что крыс можно научить нажимать левый, а затем правый рычаг для получения вознаграждения. Ученые вживили в мозг крыс электроды, которые записывали взаимодействие участков гиппокампа при выполнении этой задачи, условно называемых CA3 и CA1. Затем с помощью лекарств ученые прерывали выработанную связь между этими отделами, и у крыс оставалась только кратковременная память. Тогда крысы по-прежнему знали, что надо нажимать на рычаги, но о том, какой из них уже был нажат, они помнили лишь 5-10 секунд и поэтому не могли выполнить заученную программу. Затем по модели, записанной электродами, учёные создали электронный протез гиппокампа, копирующий взаимодействие CA3 и CA1. Когда крысам в мозг внедрили это устройство, у них снова начала формироваться долговременная память, и они смогли выполнять заученную программу. Дополнительные исследования принесли ещё более поразительный результат: способности крыс с нормально работающим гиппокампом возрастали, когда в их мозг встраивали чип. Исследователи планируют разработать искусственный гиппокамп для обезьян, а затем и для человека.

Стадии памяти

Деление памяти 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, 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. Основанием для деления процесса памяти на временные стадии служит не только степень сохранности информации через определенные промежутки времени, но и данные биохимического анализа. Итак, выделим три стадии памяти:

1) минимальная кратковременная память (КПМ);

2) относительно ограниченная во времени память (ООП);

3) пожизненная долговременная память (ДПП).

Минимальная кратковременная память (КПМ)

Эта стадия памяти длится не более секунды (а, скорее всего, доли секунды).

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 для дальнейшего поведения.

Вероятно, эта стадия памяти связана с изменением функционирования синапса, например, с изменением активности Na-, K-АТФазы. 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 КПМ, слишком мало для того, чтобы могли произойти сложные биохимические процессы, включающие синтез новых макромолекул.

Память, относительно ограниченная во времени (ООП)

энграмма мозг память нейрон

Продолжительность этой стадии памяти составляет от нескольких секунд до нескольких часов, иногда до нескольких суток. Предполагается, что в течение этого времени происходят процессы консолидации. Та информация, которая не подверглась консолидации, стирается и исчезает из памяти.

Механизмы этой стадии памяти разнообразны: активация протеиназ, модифицирующих белки мембран, фосфорилирование белков и некоторых липидов мембран, образование циклических нуклеотидов, включение синтеза нейроспецифических белков и др. Вероятно, все они способны взаимодействовать друг с другом, и набор этих механизмов зависит от характера запоминаемой информации и определяет в конкретных случаях продолжительность ООП. Подтверждается это тем, что в различных экспериментах ООП нарушается разными физическими или химическими агентами.

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 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-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 с), 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):

1. концентрация ионов кальция в нейроне вблизи постсинаптической мембраны оказывается повышенной вследствие серии приходящих к синаптическому аппарату нервных импульсов;

2. в постсинаптической мембране активируется кальций-зависимая протеиназа -- калпеин;

3. калпеин расщепляет расположенный здесь белок фодрин. При этом обнажаются чувствительные к глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокированы фодрином;

4. увеличение числа активных рецепторов глутамата обусловливает повышенную проводимость синапса в течение нескольких суток, и он участвует в формировании “предпочтительных” ансамблей нейронов.

Доказательства гипотезы:

1. Ca-связывающие агенты и лей-пептин (ингибитор протеиназ) препятствуют формированию памяти;

2. 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;

3. 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 Ca 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 Ca 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:

1. медиаторы непосредственно или через аденилат- или гуанилатциклазу активируют или ингибируют образование циклических нуклеотидов;

2. 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.

Пожизненная долговременная память (ДПП)

На этой стадии памяти происходит, по-видимому, не модификация существующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для чего необходимы устойчивые перестройки в функционировании участков генома. Доказательства:

1) нарушается ингибиторами синтеза белка;

2) в период консолидации интенсифицируются процессы, связанные с синтезом белков:

a) интенсивное включение лейцина и фукозы в гликопротеиды;

b) 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.

Действие обратной транскриптазы:

важную роль в формировании ДПП может играть процесс обратной транскрипции, т.к. в мозге (как и в других тканях) крыс присутствует РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность. В гиппокампе крыс быстро обучающейся генетической линии эта активность существенно выше, чем у крыс медленно обучающейся линии; более того, процесс выработки пищедобывательного условного рефлекса сопровождается возрастанием этой активности почти в два раза. Возможно, роль обратной транскриптазы при формировании ДПП состоит в избирательной амплификации (многократном копировании) специфически активных при обучении генов.

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.

Заключение

Из представленного материала видно, что накопленные к настоящему времени экспериментальные данные не позволяют делать какие-либо окончательные заключения относительно молекулярных механизмов памяти.

Однако имеющиеся результаты позволяют подвести некоторые итоги в этой области исследований и наметить открывающиеся перспективы.

Важнейшей проблемой является выяснение химического воздействия подкрепляющего механизма на генетический аппарат нейронов. Очевидно, на решении этой проблемы целесообразно сосредоточить максимум внимания и усилий исследователей, пытающихся раскрыть фундаментальные молекулярные механизмы памяти.

Использованная литература

1. Ашмарин И.П. Загадки и откровения биохимии памяти. Л., 1975.

2. Ашмарин И.П. Нейрохимия. М., 1996.

3. Бородкин Ю.С. Нейрохимические и функциональные основы долговременной памяти. Л., 1982.

4. Вартанян Г.А. Механизмы памяти центральной нервной системы. Л., 1988.

5. Северин Е.С. Биохимия. М., 2007.

6. Смирнов В.М. Нормальная физиология. М., 2010.

7. Штарк М.Б. Иммунонейрофизиология

8. Matthies H. Learning and memory. // Adv. in Pharmacology and Therapeutics, 1978. V. 5: Neuropsychopharmacology.

9. http://www.ido.rudn.ru/psychology/psychophysiology/7.html

10. http://www.krugosvet.ru/enc/gumanitarnye_nauki/psihologiya_i_pedagogika/LESHLI_KARL_SPENSER.html

11. http://www.scorcher.ru/axiomatics/axiom_show.php?id=281

12. http://www.vokrugsveta.ru/news/12282/

13. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%E8%EF%EF%EE%EA%E0%EC%EF

Размещено на Allbest.ru