Молекулярная теория памяти кратко

Обновлено: 02.07.2024

Виды памяти классифицируют по форме проявления (образная, эмоциональная, логическая, или словесно-логическая), по временной характеристике, или продолжительности (мгновенная, кратковременная, долговременная).

Образная память проявляется формированием, хранением и воспроизведением ранее воспринятого образа реального сигнала, его нервной модели. Под эмоциональной памятью понимают воспроизведение некоторого пережитого ранее эмоционального состояния при повторном

Конспект лекций по физиологии ВНД

предъявлении сигнала, вызвавшем первичное возникновение такого эмоционального состояния. Эмоциональная память характеризуется высокой скоростью и прочностью. В этом, очевидно, главная причина более легкого и устойчивого запоминания человеком эмоционально окрашенных сигналов, раздражителей. Напротив, серая, скучная информация запоминается намного труднее и быстро стирается в памяти. Логическая (словесно-логическая, семантическая) память — память на словесные сигналы, обозначающие как внешние объекты и события, так и вызванные ими ощущения и представления.

Нейрофизиологический механизм иконической памяти, очевидно, заключается в процессах рецепции действующего стимула и ближайшего последействия (когда реальный стимул уже не действует), выражаемого в следовых потенциалах, формирующихся на базе рецепторного электрического потенциала. Продолжительность и выраженность этих следовых потенциалов определяется как силой действующего стимула, так и функциональным состоянием, чувствительностью и лабильностью воспринимающих мембран рецепторных структур. Стирание следа памяти происходит за 100—150 мс.

Биологическое значение иконической памяти заключается в обеспечении анализаторных структур мозга возможностью выделения отдельных признаков и свойств сенсорного сигнала, распознавания образа. Иконическая память хранит в себе не только информацию, необходимую для четкого представления о сенсорных сигналах, поступающих в течение долей секунды, но и содержит несравненно больший объем информации, чем может быть использовано и реально используется на последующих этапах восприятия, фиксации и воспроизведения сигналов.

При достаточной силе действующего стимула иконическая память переходит в категорию краткосрочной (кратковременной) памяти. Кратковременная память — оперативная память, обеспечивающая выполнение текущих поведенческих и мыслительных операций. В основе кратковременной памяти лежит повторная многократная циркуляция импульсных разрядов по

(объединены для удобства)В формировании и осуществлении высших функций мозга очень важное значение имеет общебиологическое свойство фиксации, хранения и

Конспект лекций по физиологии по ВНД

Конспект лекций по физиологии ВНД

В этой работе соединились две большие области исследований: механизмы памяти и амилоиды. Предыстория открытия интересна и содержит немало важных деталей.

Амилоиды (см. amyloid) известны в первую очередь как патологические белковые структуры, вызывающие обширную группу амилоидных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также прионные болезни. Они представляют собой фибриллярные полимеры некоторых в норме растворимых клеточных белков. Амилоиды катализируют структурную перестройку и присоединение к себе мономеров того же белка, и за счет этого растут. Они намного прочнее штатных клеточных полимеров, составляющих цитоскелет, поскольку фактически представляют собой единый мультимолекулярный бета-слой, в котором отдельные молекулы соединены множеством водородных связей. Поэтому амилоиды обладают высокой устойчивостью к протеазам и накапливаются, вызывая болезнь.

Амилоиды могут быть инфекционными, и тогда они называются прионами. У человека и животных прионы связаны лишь с одним белком, PrP, и вызывают коровье бешенство, скрейпи овец и болезнь Крейцфельдта–Якоба у людей. Инфекционность прионов связана с общим свойством амилоидов катализировать структурную перестройку. Различие же с прочими амилоидами по инфекционности определяется частными деталями: расположением прионного белка PrP на внешней клеточной мембране и, вероятно, какими-то механизмами, дробящими полимеры PrP на множество мелких, более подвижных частиц.

Явление, аналогичное прионам, было обнаружено у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. У дрожжей, однако, прионы проявляются не как болезнь, а как фенотипы с нестандартным, неменделевским способом наследования. Прионы дрожжей (см. fungal prions) возникают спонтанно, но достаточно редко. Затем они могут стабильно сохраняться в ряду поколений, а при скрещивании и мейотической сегрегации передаваться всем потомкам. Таким образом, прионогенный белок может стабильно находиться в двух состояниях: прионном (полимеризующемся) или нормальном. А значит, клетку с прионогенным белком можно представить, как однобитную ячейку памяти.

А теперь перейдем к устройству памяти. Большая доля знания о работе нейронов была получена при изучении нейронов моллюска Aplysia californica. Этот крупный моллюск имеет большие и удобные для изучения нейроны. Ключевым механизмом памяти считается способность нейронов изменять силу своих синапсов, или синаптическая пластичность. Существует два вида памяти — кратковременная и долговременная. Кратковременная память опосредуется фосфорилированием некоторых уже существующих белков и укреплением имеющихся синаптических связей. Долговременная требует синтеза новых мРНК и белков и часто сопровождается установлением новых синаптических связей. Поскольку синтез мРНК происходит в ядре и затрагивает весь нейрон, возник вопрос: происходит ли событие запоминания одновременно во всех синапсах нейрона или же оно специфично для каждого синапса? На модели изолированного нейрона было показано, что единичный импульс нейромедиатора серотонина вызывает кратковременное синапс-специфическое запоминание, а два и более — долговременное. При этом, если первый импульс прикладывали к одному синапсу, а второй — к другому, то долговременное запоминание происходило во втором синапсе и только в нём.

И действительно, оказалось, что CPEB необходим для долговременной, но не кратковременной памяти, и его синтез намного увеличивается при стимуляции нейрона нейромедиатором серотонином. Далее обнаружилась удивительная вещь: по своей структуре CPEB оказался похож на дрожжевые прионные белки. Эти белки довольно несхожи между собой, но каждый из них имеет две части: функциональный домен и прионный домен, способный полимеризоваться. Функциональные домены совершенно различны, а прионные обладают общим свойством: они не структурированы и сильно обогащены аминокислотными остатками глутамином и аспарагином. Это свойство позволяет прионным доменам полимеризоваться в амилоидные фибриллы, и именно такой домен был обнаружен в белке CPEB. Свойства CPEB проверили в дрожжевой модели, и оказалось, что он ведет себя, как полноценный дрожжевой прион, то есть может переходить в стабильно наследуемое полимерное состояние. Правда, в отличие от дрожжевых белков, у которых прионное состояние функционально неактивно, у CPEB прионное состояние отличалось повышенной активностью. Всё это позволило предположить, что переход CPEB в полимерное состояние является ключевым событием в формировании долговременной памяти.

Однако доказательство этого тезиса оказалось нелегким, и, несмотря на интенсивные усилия, следующее продвижение в этой теме произошло лишь через семь лет. Видимо, это говорит о том, насколько сложнее манипулировать нервными клетками аплизии в сравнении с клетками дрожжей: трудно набрать достаточное количество клеток для биохимического анализа, сложнее манипуляции с генами. На этом этапе в тело нейрона аплизии инъецировали гены, кодирующие различные гибриды белка CPEB, сшитые с зеленым флуоресцентным белком. Такие гибриды — классический инструмент в изучении прионов: если белок растворим, клетка светится равномерно, а если он перешел в амилоидное состояние — свечение концентрируется в яркие точки. Гибридные белки, синтезированные нейроном, образовали характерные зеленые точки, а контрольный белок без глутамин-богатого домена давал диффузное свечение. Амилоидное состояние СРЕВ-GFP в точках было подтверждено окрашиванием амилоид-специфичным флуоресцентным красителем тиофлавином S. Также было показано, что переход СРЕВ-GFP в амилоидное состояние усиливался при стимуляции нервных клеток нейромедиатором серотонином. Прогресс небольшой, да и получен он был при искусственно завышенном уровне синтеза СРЕВ.

Рис. 2. Структура кодирующей Orb2 мРНК и двух белков Orb. Изображение из обсуждаемой статьи Amitabha Majumdar et al. в Cell, с изменениями

Но недавняя работа, сделанная уже на дрозофиле, расставила все точки над i. В отличие от аплизии, у дрозофилы есть два варианта белка СРЕВ: Orb2A и Orb2B, которые получаются из одной мРНК в результате альтернативного сплайсинга. Orb2B синтезируется постоянно (конститутивно), а Orb2A — лишь в ответ на стимуляцию нейрона. Они одинаковы в карбокси-концевой части, содержащей глутамин-богатый прионо-подобный домен и РНК-связывающий домен, но отличаются в амино-концевой части, имеющей 8 аминокислот в Orb2A и 162 аминокислоты в Orb2B (рис. 2). Было показано, что оба белка способны полимеризоваться, однако Orb2B может стабильно пребывать в растворимом состоянии, а Orb2A, напротив, с высокой вероятностью начинает полимеризацию. В частности, это наблюдали при флуоресцентной микроскопии гибридных белков Orb2-GFP (рис. 3). Оказалось, что способность Orb2A начинать полимеризацию связана с его уникальным N‑концевым фрагментом из 8 аминокислот.

Рис. 3. При экспрессии в нейроне Orb2A-GFP образует амилоидные полимеры, видные как яркие точки, а Orb2B-GFP не полимеризуется, давая диффузное свечение. Длина масштабной линейки 10 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи Amitabha Majumdar et al. в Cell, с изменениями

Эти наблюдения позволили предложить простую схему: при стимуляции синапса синтезируется Orb2A, он переходит в полимерное состояние и увлекает за собой Orb2B. Далее процесс полимеризации поддерживается молекулами Orb2B и может продолжаться сколь угодно долго, что соответствует фиксации события в долговременной памяти.

Для подтверждения этой модели провели мутагенез Orb2A и получили мутации, нарушающие его способность инициировать полимеризацию. Половина мутаций попала в уникальный N‑концевой фрагмент Orb2A, содержащий лишь 8 аминокислот. Наиболее эффективная из этих мутаций была изучена подробнее. Это оказалась замена в пятой позиции фенилаланина на тирозин.

Важным достижением данной работы является и то, что она впервые показала, как клетка может управлять переходом в амилоидное состояние. Однако существование механизма, способного вывести синапс из этого состояния, представляется маловероятным. Скорее всего, в компьютерной терминологии, мозг является устройством с однократной записью, подобным CD, а не винчестеру.

Несомненно, эта работа устанавливает один из принципов устройства живых организмов. Однако она заслуживает не только похвал. На всякого мудреца довольно простоты, и в этой работе есть существенный прокол. Он не отменяет главного вывода, хотя и ослабляет его и бросает плотную тень на научно-издательский процесс. Мы привыкли думать, что наиболее авторитетные научные журналы, к которым относится Cell, не могут публиковать откровенных ошибок. Ан нет. Среди представленных доказательств существенную роль имеет подтверждение существования полимеров СРЕВ методом электрофореза, выполненным совершенно некорректно. Авторы тщательно кипятят образцы в присутствии детергента, а в этих условиях любой амилоид должен раствориться. Удивительным образом растворяется не совсем всё, но всё равно такое безграмотное и неколичественное использование столь сильных средств недопустимо. В частной переписке авторы признали этот просчет. А ведь двумя годами раньше у них была еще одна статья в Cell с той же ошибкой. И это один из лучших и самых строгих журналов!

Как бы то ни было, но теперь мы понимаем основу устройства памяти. Интересно, для чего еще могут быть использованы амилоиды? Есть мнение, что это может быть процесс клеточной дифференциации.

Материальная основа памяти — белковые молекулыОдна из самых главных загадок физиологии и нейрофизиологии заключается в процессах протекания обучения. Каждый человек (животное) способен обучаться чему-либо. После чего в памяти головного мозга сохраняются определенные материальные следы. Психологи

Хранение, изменение и стирание памятиНе смотря на то, что исследования памяти и механизмов забывания на самых различных уровнях ведутся на протяжении нескольких сотен лет, сравнительно недавно удалось обнаружить, что при попытке воспроизведения какой-либо конкретной

ТОП-10 Бессмертных животных с пренебрежимым старениемСтарение – процесс постепенного угнетения основных функций организма, приводящий к ухудшению качества тканей, репродуктивной функции, мозговой активности. И, что самое неприятное – здоровья. Ведь не так страшна сама старость, как

Материальная основа памяти — белковые молекулы

Одна из самых главных загадок физиологии и нейрофизиологии заключается в процессах протекания обучения. Каждый человек (животное) способен обучаться чему-либо. После чего в памяти головного мозга сохраняются определенные материальные следы. Психологи объясняют представленные процессы несколько по-другому, нежели физиологи, стремясь воспроизвести мысль и сознание, как независимые друг от друга субстанции. Физиологи в свою очередь стараются зарегистрировать каждую деталь по отдельности.

Как формируется долговременная память

В нашем мозге находятся моменты, которые держатся в памяти на протяжении многих лет, а порой даже и всей жизни. К примеру, до нас доносится определенная музыка, и в том случае, если мы ее уже слышали ранее (у нас сохранены воспоминания о конкретной мелодии), то при прослушивании нескольких первоначальных тактов, затем после прерывания прозвучавшей музыки, у нас появится возможность воссоздать в своей голове последующие такты.

Одна их первых и основных теорий памяти заключалась в том, что, предположим, в мозге человека имеется что-либо на подобии глиняных табличек, на которых 300 тыс. лет назад записывали конкретные данные и хранили, а по мере необходимости использовали. Эти таблички из глины на тот период времени выполняли одну из основных функций памяти – сохранение и удержание определенной информации. Но на сегодняшний момент никаких материальных следов выявить не получается.

Гипотезы о материальных основах памяти

Ко всему прочему, существуют обоснованные гипотезы, повествующие о том, что воспоминания из раза в раз циклично порождаются. Мы слышим определенную музыку, воссоздавая из памяти, но мы в то же время ее порождаем.

Представленный вид памяти базируется на довольно нелегких процессах, понять материальные основы которых является одной из основополагающих задач нейрофизиологии на данном временном промежутке.

Около 10 лет тому назад было определено, что качество воспоминаний человека (животного) вступает в зависимость от наличия белков в его организме. Если при процессе обучения заблокируется синтез белков (они не будут поступать в организм), то через короткий промежуток времени (несколько дней) будет установлено, что в памяти не осталось информации о том, что было некогда выучено.

Более совершенные белки синтезируются для комплектации и сохранения сведений в памяти, т.е. зависит от белкового синтеза. Каждое воспроизведение конкретного события не обходится без каких-либо материальных следов: в памяти обязательно остаются те или иные сведения (см. Пациент HM — человек без памяти).

Нейрофизиологами неоднократно производился поиск по биохимическим и молекулярным системам организма с намерением найти характерные молекулы, подходящие для этого вида памяти. Первоначально было доказано, что исключительно все системы нужны для осуществления процессов запоминания в головном мозге.

Поскольку, если мы видоизменим систему, контролирующую мембрану нервной клетки, то вся целостность данной клетки будет подвергнута разрушению. И как следствие, память не будет способна выполнять своих прямых функций (см. процесс забывания в психологии).

Влияние белковых молекул

Некогда было выявлено, что именно белковая молекула влияет на процессы запоминания и усвоения данных в долговременной памяти. Данная молекула находится в наиболее неблагоприятном месте нервной системы – синоптической взаимосвязи между нервными клетками.

Представленная белковая система не принимает участия в других процессах и не активируется до тех пор, пока не настанет время для создания долговременной памяти. Эти белковые молекулы способны к самовоспроизведению, т.е. если они в определенном количестве появились и находятся в конкретном месте нервной системы, то они там остаются, сами воспроизводятся, увеличивая количество.

Можно ли улучшить память

На данном этапе возлагаются огромные надежды, что действительно в мозге существуют специфичные биохимические системы, работающие на память, которые мы сможем описать, возможно, контролировать, тем самым, улучшая или ухудшая свою память. В изучении данного явления очень помог случай знаменитого пациента С. Шерешевского — человека с феноменальной памятью.

Исследования в области молекулярных механизмов памяти за последние два-три года не набрали масштабных оборотов в своем развитии, но при этом ученые выявили наличие белковых молекул, увеличение которых в определенной части нервной системы способствует повышению эффективности деятельности представленной системы. Молекулы имеют собственное устройство самовоспроизведения.

В сущности, проблема хорошей крепкой памяти волнует большое количество людей. Лучшие умы человечества работают над созданием новых способов улучшения и стимулирования процессов запоминания. Особенно это касается людей, работающих с большим количеством информации. Именно от них идёт основная потребность, и рынок медицины и биотехнологий отвечает своими разработками.

В частности, на сегодняшний день самым доступным решением является употребление стимулирующих биологически активных добавок по типу Optimentis, помогающих улучшить память, внимание и активировать все ресурсы головного мозга.

Российские ученые нейрофизиологи уже начали активно проводить клинические исследования, поэтому в ближайшее время можно ожидать появление научных статей с результатами в ведущих научных журналах. А пока что можно довольствоваться лишь мнением независимых врачей, например, главного специалиста НИИ фундаментальной медицины РАМН Евгения Симанюка. Любите науку, читайте ВикиНауку!

Ученые из MIT сделали попытку рассмотреть на молекулярном уровне, как нейроны записывают наши воспоминания, что происходит с ними в момент запоминания и воспроизведения. Оказалось, что внутри клетки идет огромная работа с ДНК в ядре – тем самым местом, которое еще недавно казалось для науки самой постоянной, стабильной формой памяти. Подробности работы опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

В 2006 году Эрик Кандел, нобелевский лауреат по физиологии и медицине, писал в своей великолепной книге “В поисках памяти”:

“Долговременная память требует кодирования новой информации и консолидации, то есть перевода в более постоянное хранение… Если так, то консолидационная фаза работы памяти могла оказаться тем интервалом, который требуется регуляторным белкам для включения структуры генов”.

Ученые из MIT решили продолжить такое описание и провели эксперимент, который раскрывает, как рождается память в особых нейронах – энграммных клетках.

Энграммные клетки – это нейроны, которые активируются в момент запоминания и воспроизведения информации. Считается, что они подробно отражают детали запоминаемого нами события.

На этой картинке изображены гиппокамп (большая желтая структура наверху), нейроны, активируемые при формировании памяти (зеленый), нейроны, активируемые при воспроизведении информации (красные), ДНК клеток (синий), нейроны, активируемые и при формировании и при воспроизведении (желтые), которые считаются энграммными нейронами. Credit: Courtesy of the researchers

Новое исследование MIT дополняет научные труды Эрика Канделя, демонстрируя, что формирование памяти в энграммных клетках контролируется масштабными изменениями в структуре организации ДНК. А это значит, что ДНК – не такой уж и постоянный носитель информации!

Для того, чтобы полностью погрузиться в этот эксперимент, мы предлагаем кратко ознакомиться со структурой гена в ее простейшем виде.

Далеко не вся структура гена обеспечивает кодирование информации о каком-то белке. Некоторые части гена выполняют вспомогательную функцию: способствуют включению или выключению гена, увеличению его экспрессии и так далее.

Разумеется, все эти обязательные компоненты клетки есть и в энграммных клетках.

“Это исследование проливает свет на загадочный вопрос — как разные группы генов активируются, что является эпигенетическим механизмом их активации” — говорит Ли-Х. Тсаи (Li-Huei Tsai), директор Института обучения и памяти в MIT.

Эпигеномный контроль

Ученые знают, что на первом этапе формирования памяти гены первичного ответа (которые активируют чрезвычайно быстро в ответ на какое-либо событие) включаются в энграммных клетках. Однако вскоре эти гены возвращаются к обычному уровню активности. Вопрос же, который стоял перед исследователями – что же происходит дальше?

“Формирование и сохранение воспоминания — это деликатный и скоординированный процесс, который может идти часы и дни. Может даже месяцы, мы не знаем точно. — говорит Асаф Марко (Asaf Marco), ведущий автор статьи. — В течение этого процесса, есть несколько волн экспрессий генов и, соответственно, синтеза белка, благодаря которым связь между нейронами становится более устойчивой”.

Тсаи и Марко предположили, что эти волны могут быть обусловлены химическим изменением в хроматине, который контролирует доступность того или иного гена.

Чтобы изучить эти эпигеномные изменения в энграммных клетках в течение времени, ученые использовали генетически модифицированных мышей. В них они могли постоянно отслеживать состояние энграммных клеток в момент запоминания в гиппокампе с помощью флюоресцентного протеина. Эти мыши получали легкий электрический удар в лапку, когда заходили в соседнюю клетку. В итоге, у них появлялась ассоциативная связь между этой клеткой и ударом тока. Когда такая память формируется, гиппокампальные клетки, кодирующие событие, начинают производить желтый флюорецентный белковый маркер.

На первом этапе, сразу после того как память была сформирована, исследователи обнаружили, что во многих областях ДНК хроматин модифицировался. Он становился более рыхлым, позволяя некоторым участкам ДНК становиться более доступными. Но, к удивлению ученых, практически все эти участки не содержали информации о структуре белков. В этих областях находились некодируемые последовательности, которые называются генами-усилителями. Они находятся “перед” основными генами и увеличивают их экспрессию. На этой же стадии формирования памяти модификации хроматина не влияли на работу гена.

После этого ученые анализировали энграммные клетки спустя пять дней после запоминания. Они обнаружили, что если память была консолидирована (то есть перешла в долговременную) за эти пять дней, 3D структура хроматина, окружающего гены-усилители, изменялась, позволяя усилителю приблизиться к гену-мишени. Это не означало, что он постоянно включал этот ген, но позволяло включать его в момент, когда событие воспроизводилось вновь.

Наконец, ученые решили поместить мышей обратно в клетку, где те вновь получали удар током, что реактивировало воспоминания. В энграммных клетках этих мышей ученые обнаружили, что усилители, которые приблизились к генам-мишеням, чаще взаимодействовали с ними, приводя к всплеску экспрессии этих генов.

Многие из этих генов, включающихся в момент воспроизведения события, вовлечены в процесс синтеза белка в синапсах, помогая нейронам усиливать связь с другими нейронами. Более того, оказалось, что дендриты этих нейронов (та часть нейрона, которая ответственна за прием сигналов), покрывались большим количеством отростков – шипиков – что еще больше усиливало контакт двух клеток.

Шипики обозначены зеленым. Credit: Наука из первых рук

“Это первая работа, которая на молекулярном уровне показывает, как эпигеном руководит доступностью генов. Сперва он позволяет усилителю стать более доступным, но это лишь достаточное условие для запоминания. Необходимое же условие – чтобы усилитель мог физически взаимодействовать с геном – происходит на второй фазе” – отмечают авторы.

Сейчас исследователи надеются провести исследование того, что именно происходит с хроматином в энграммных клетках при болезни Альцгеймера.

Текст: Никита Отставнов

Mapping the epigenomic and transcriptomic interplay during memory formation and recall in the hippocampal engram ensemble” by Asaf Marco, Hiruy S. Meharena, Vishnu Dileep, Ravikiran M. Raju, Jose Davila-Velderrain, Amy Letao Zhang, Chinnakkaruppan Adaikkan, Jennie Z. Young, Fan Gao, Manolis Kellis and Li-Huei Tsai, 5 October 2020, Nature Neuroscience.

Читайте также: