Память: нейрохимические механизмы памяти

Кратковременная память

Кратковременная память, осуществляющая анализ информации, поступающей от различных органов чувств, и ее обработку, реализуется при участии синаптических контактов. Это кажется очевидным, поскольку время, в течение которого осуществляются эти процессы, несоизмеримо со временем синтеза новых макромолекул. Это подтверждается и возможностью ингибирования кратковременной памяти синаптическими ингибиторами, и ее нечувствительностью к ингибиторам синтеза белка и РНК.

Процесс консолидации занимает более длительное время и не вмещается в строго определенный интервал (продолжаясь от нескольких минут до нескольких суток). Вероятно, на длительность этого периода влияет как качество информации, так и состояние мозга. Информация, которую мозг сочтет несущественной, не подвергается консолидации и исчезает из памяти. Остается загадкой, как решается вопрос о ценности информации и каковы реальные нейрохимические механизмы процесса консолидации. Сама длительность процесса консолидации позволяет считать, что он является постоянным состоянием мозга, непрерывно осуществляющим «мыслительный процесс». Разнообразный характер информации, поступающей в мозг для анализа, и широкий спектр разных по механизму действия ингибиторов процесса консолидации позволяют предполагать, что на этом этапе во взаимодействие вовлекаются разнообразные нейрохимические механизмы.

Применение соединений, указанных в таблице в качестве ингибиторов процесса консолидации, вызывает у подопытных животных амнезию (потерю памяти) - неспособность воспроизвести выработанный поведенческий навык или предъявить для использования полученную информацию.

Интересно, что некоторые ингибиторы проявляют свое действие после предъявления запоминаемой информации (ретроградная амнезия), а другие - при применении в предшествующий этому период (антероградная амнезия). Широко известны эксперименты по обучению цыплят отличать зерно от несъедобных, но похожих по размеру объектов. Введение в мозг цыплят ингибитора белкового синтеза циклогексимида не мешало процессу обучения, но полностью предотвращало закрепление навыка. Напротив, введение ингибиторов Nа-насоса (Nа/К-АТФазы) уабаина полностью тормозило процесс обучения, не оказывая влияния на уже сформированные навыки. Это означает, что Nа-насос вовлечен в формирование кратковременной памяти, но не участвует в процессах консолидации. Более того, результаты опытов с циклогексимидом указывают на то, что синтез новых молекул белка необходим для осуществления процессов консолидации, но не нужен для формирования кратковременной памяти.

Следовательно, обучение в период формирования кратковременной памяти включает в себя активацию определенных нейронов, а консолидация - создание долговременных межнейронных сетей, для закрепления взаимодействия в которых необходим синтез специальных белков. Не следует ожидать, что эти белки будут носителями конкретной информации, их образование может быть «всего лишь» побудительным фактором для активации межнейронных связей. Каким образом консолидация приводит к формированию долговременной памяти, которую нельзя нарушить, но можно воспроизвести по первому требованию, остается неясным.

В то же время понятно, что за созданием стойкого навыка стоит способность популяции нейронов формировать сеть, в которой передача сигнала становится наиболее вероятной, и эта способность мозга может сохраняться длительное время. Наличие одной такой межнейронной сети не мешает Нейронам вовлекаться в аналогичные иные сети. Поэтому ясно, что аналитические способности мозга весьма велики, если не безграничны. Понятно также, что реализация этих способностей зависит от интенсивности обучения, особенно в период созревания мозга в онтогенезе. С возрастом способность к обучению падает.

Обучаемость тесно связана со способностью к пластичности - способности синаптических контактов к функциональным перестройкам, происходящим в процессе функционирования, направленным на синхронизацию нейрональной активности и создание межнейронных сетей. Проявление пластичности сопровождается синтезом специфических белков, выполняющих известные (например, рецепторные) или неизвестные функции. Одним из участников реализации этой программы является белок S-100, относящийся к аннексинам и обнаруживаемый в мозге в особенно больших количествах (он получил свое название от способности оставаться растворимым при 100-процентном насыщении сульфатом аммония при нейтральных значениях pH). Его содержание в мозге на несколько порядков больше, чем в других тканях. Он аккумулируется преимущественно в клетках глии и обнаруживается вблизи синаптических контактов. Содержание белка S-100 в мозге начинает увеличиваться через 1 ч после обучения и достигает максимума через 3-6 ч, оставаясь на высоком уровне в течение нескольких суток. Введение антител к этому белку в желудочки мозга крыс нарушает обучаемость животных. Все это позволяет считать белок S-100 участником создания межнейронных сетей.

Молекулярные механизмы пластичности нервной системы

Пластичность нервной системы определяется как способность нейронов воспринимать сигналы внешней среды, изменяющие жесткий детерминизм генома. Пластичность подразумевает возможность изменения функциональной программы взаимодействия нейронов в ответ на изменения внешней среды.

Молекулярные механизмы пластичности многообразны. Рассмотрим основные из них на примере глутаматергической системы. В глутаматергическом синапсе одновременно обнаруживаются различные по свойствам рецепторы - как ионотропные, так и метаботропные. Высвобождение глутамата в синаптическую щель в процессе возбуждения приводит к активации каинатных и АМРА-активируемых ионотропных рецепторов, вызывающих деполяризацию постсинаптической мембраны. При величине трансмембранного потенциала, соответствующей величине потенциала покоя, NМDА-рецепторы не активируются глутаматом вследствие того, что их ионные каналы блокированы. По этой причине NМDА-рецепторы не имеют шанса для первоочередной активации. Однако при начинающейся деполяризации синаптической мембраны ионы магния удаляются из участка связывания, что резко повышает сродство рецептора к глутамату.

Активация ЫNМDА-рецепторов вызывает вход кальция в постсинаптическую зону через ионный канал, принадлежащий молекуле NМDА-рецептора. Вход кальция наблюдается также и через потенциалзависимые Са-каналы, активируемые вследствие работы каинатных и АМРА-глутаматных рецепторов. В результате совокупности этих процессов в примембранных областях постсинаптической зоны увеличивается содержание ионов кальция. Этот сигнал слишком слаб, чтобы изменить активность многочисленных ферментов, чувствительных к ионам кальция, но достаточно значителен, чтобы активировать примембранную фосфолипазу С, субстратом которой является фосфоинозит, и вызвать накопление инозитолфосфатов и активацию инозитол-3-фосфатзависимого высвобождения кальция из эндоплазматического ретикулума.

Таким образом, активация ионотропных рецепторов не только вызывает в постсинаптической зоне деполяризацию мембраны, но и создает условия для существенного повышения концентрации ионизированного кальция. Тем временем глутамат активирует в синаптической области и метаботропные рецепторы. В результате возникает возможность приводить в действие соответствующие G-белки, «привязанные» к различным эффекторным системам. Могут активироваться киназы, фосфорилирующие разнообразные мишени, в том числе и ионотропные рецепторы, что модифицирует активность канальных структур этих образований.

Более того, на пресинаптической мембране также локализованы глутаматные рецепторы, которые тоже имеют шанс взаимодействовать с глутаматом. Метаботропные рецепторы этой области синапса связаны с активацией системы удаления глутамата из синаптической щели, работающей по принципу обратного захвата глутамата. Этот процесс зависит от активности Nа-насоса, поскольку является вторичноактивным транспортом.

Активация имеющихся на пресинаптической мембране NМDА-рецепторов также вызывает повышение уровня ионизированного кальция в пресинаптической области синаптического окончания. Накопление ионов кальция синхронизует слияние синаптических везикул с мембраной, ускоряя высвобождение медиатора в синаптическую щель.

Когда в синапс приходит серия возбуждающих импульсов и общая концентрация свободных ионов кальция оказывается стойко повышенной, может наблюдаться активация Са-зависимой протеиназы кальпаина, который расщепляет один из структурных белков фодрин, маскирующий глутаматные рецепторы и предотвращающий их взаимодействие с глутаматом. Таким образом, высвобождение медиатора в синаптическую щель при возбуждении предоставляет разнообразные возможности, реализация которых может привести к усилению или торможению сигнала, или к его выбраковке: синапс работает по многовариантному принципу, и реализуемый в каждый момент путь зависит от множества разнообразных факторов.

В числе этих возможностей - самонастройка синапса на наилучшую передачу сигнала, который оказался усиленным. Такой процесс носит название долговременной потенциации (Longterm potentiation, LTP). Он заключается в том, что при длительном высокочастотном раздражении ответы нервной клетки на приходящие импульсы оказываются усиленными. Это явление представляет собой одну из сторон пластичности, в основе которой лежит молекулярная память нейрональной клетки. Период долговременной потенциации сопровождается повышенным фосфорилированием определенных нейрональных белков специфическими протеинкиназами. Одним из результатов увеличения уровня ионов кальция в клетке является активация Са-зависимых ферментов (кальпаина, фосфолипаз, Са-кальмодулинзависимых протеинкиназ). Некоторые из этих ферментов имеют отношение к образованию активных форм кислорода и азота (НАДФН-оксидаза, NO-синтаза и др.). В итоге в активированном нейроне можно зарегистрировать накопление свободных радикалов, которые рассматриваются как вторичные посредники регуляции метаболизма.

Важным, но не единственным результатом накопления свободных радикалов в нейрональной клетке является активация так называемых генов раннего ответа. Этот процесс является наиболее ранним и скоропреходящим ответом клеточного ядра на сигнал свободных радикалов, активация этих генов наступает через 5-10 мин и продолжается несколько часов. К числу этих генов относят группы c-fos, c-jun, c-junB, zif/268 и др. Они кодируют несколько обширных семейств специфических белков-регуляторов транскрипции.

Активация генов немедленного ответа происходит при участии ядерного фактора NF-кВ, который должен ДЛЯ реализации своего действия проникнуть в ядро через ядерную мембрану. Его проникновению препятствует то обстоятельство, что этот фактор, представляющий собою димер из двух белков (р50 и р65), в цитоплазме находится в комплексе с белковым ингибитором и не способен проникать в ядро. Ингибиторный белок является субстратом для фосфорилирования специфической протеинкиназой, после чего диссоциирует от комплекса, что открывает дорогу для NF-кВ В ядро. Активирующим кофактором протеинкиназы является пероксид водорода, поэтому волна свободных радикалов, захватывая клетку, вызывает ряд описанных выше процессов, приводящих к активации генов раннего ответа. Активация c-fos может также вызывать синтез нейротрофинов и образование нейритов и новых синапсов. Долговременная потенциация, вызываемая высокочастотной стимуляцией гиппокампа, приводит к активации zif/268, кодирующего Zn-чувствительный ДНК-связывающий белок. Антагонисты NMDA-рецепторов блокируют долговременную потенциацию и актвиацию zif/268.

Одним из первых, кто предпринял в 1949 г. попытку разобраться в механизме анализа информации в мозге и выработать стратегию поведения, был С. О. Хебб. Он высказал мысль о том, что для выполнения этих задач в мозге должна образовываться функциональная ассоциация нейронов - локальная межнейронная сеть. Уточнил и углубил эти представления М. Розенблат (1961), сформулировавший гипотезу «Unsupervised correlation base learning». Согласно развиваемым им представлениям, в случае генерации серии разрядов нейроны могут синхронизироваться за счет ассоциации определенных (зачастую морфологически удаленных друг от друга) клеток путем самонастраивания.

Современная нейрохимия подтверждает возможность такой самонастройки нейронов на общую частоту, объясняя функциональное значение серий возбуждающих «разрядов» для .создания межнейронных цепей. Использовав аналог глутамата с флуоресцентной меткой и вооружившись современной техникой, удалось показать, что даже при стимуляции одного синапса возбуждение может распространяться и на достаточно удаленные синаптические структуры за счет образования так называемой глутаматной волны. Условием формирования такой волны является повторяемость сигналов в определенном частотном режиме. Ингибирование глутаматного транспортера увеличивает вовлеченность нейронов в процесс синхронизации.

Кроме глутаматергической системы, имеющей прямое отношение к процессам обучения (запоминания), другие системы мозга также участвуют в формировании памяти. Известно, что способность к обучению обнаруживает положительную корреляцию с активностью холинацетил-трансферазы и отрицательную - с ферментом, гидролизующим этот медиатор - ацетилхолинэстеразой. Ингибиторы холинацетилтрансферазы нарушают процесс обучения, а ингибиторы холинэстеразы способствуют выработке оборонительных рефлексов.

В формировании памяти принимают участие и биогенные амины - норадреналин и серотонин. При выработке условных рефлексов с отрицательным (электроболевым) подкреплением происходит активация норадренергической системы, а при положительном (пищевом) подкреплении скорость метаболизма норадреналина снижается. Серотонин, напротив, облегчает выработку навыков в условиях положительного подкрепления и отрицательно воздействует на формирование оборонительной реакции. Таким образом, в процессе консолидации памяти серотонинергическая и норадреналинергическая системы являются своего рода антагонистами, и нарушения, вызываемые избыточным накоплением серотонина, по-видимому, могут быть компенсированы активацией норадренергической системы.

Участие дофамина в регуляции процессов памяти имеет многофакторную природу. С одной стороны, выявлено, что он может стимулировать выработку условных рефлексов с отрицательным подкреплением. С другой стороны, он снижает фосфорилирование нейрональных белков (например, белка В-50) и индуцирует обмен фосфоинозитцдов. Можно полагать, что дофаминергическая система участвует в консолидации памяти.

Нейропептиды, выделяющиеся в синапсе в процессе возбуждения, также вовлекаются в процессы формирования памяти. Вазоактивный интестинальный пептид увеличивает сродство холинорецепторов к медиатору в несколько тысяч раз, способствуя функционированию холинергической системы. Гормон вазопрессин, выделяющийся из задней доли гипофиза, синтезируемый в супраоптических ядрах гипоталамуса, аксональным током переносится в заднюю долю гипофиза, где хранится в синаптических везикулах, и оттуда выделяется в кровь. Этот гормон, а также гипофизарный адренокортикотропный гормон (АКТГ) постоянно функционируют в мозге в качестве регуляторов процессов памяти. Следует подчеркнуть, что этот эффект отличается от их гормональной активности - фрагменты данных соединений, лишенные этой активности, оказывают такое же воздействие на процесс обучения, как и целые молекулы.

Непептидные стимуляторы памяти практически неизвестны. Исключение составляют оротат и широко применяющийся в клинике пирацетам. Последний представляет собой химический аналог гамма-аминомасляной кислоты и относится к группе так называемых ноотропных препаратов, одним из эффектов которых является усиление мозгового кровообращения.

С изучением роли оротата в механизмах закрепления памяти связана интрига, волновавшая умы нейрохимиков во второй половине XX в. История началась с опытов Дж. Мак-Коннела по выработке у примитивных плоских червей планарий условного рефлекса на свет. После создания устойчивого рефлекса он разрезал планарий поперек на две части и проверял обучаемость тому же рефлексу у животных, регенерировавших из обеих половинок. Сюрпризом было то, что не только особи, получившиеся из головной части, обладали повышенной обучаемостью, но и те, что регенерировали из хвоста, обучались гораздо быстрее, чем контрольные особи. Для обучения тех и других требовалось в 3 раза меньше времени, чем для особей, регенерируемых от контрольных животных. Мак-Коннел сделал вывод о том, что приобретенная реакция кодируется веществом, которое накапливается как в головной, так и в хвостовой части тела планарий.

Воспроизведение результатов Мак-Коннела на других объектах встретило ряд трудностей, вследствие чего ученого объявили шарлатаном, а статьи его перестали принимать для публикации во всех научных журналах. Разгневанный автор основал собственный журнал, где публиковал не только результаты последующих экспериментов, но также и шаржи на своих рецензентов и пространные описания экспериментов, проводимых им в ответ на критические замечания. Благодаря такой уверенности Мак-Коннела в своей правоте современная наука имеет возможность возвратиться к анализу этих оригинальных научных данных.

Обращает на себя внимание тот факт, что в тканях «обученных» планарий обнаруживается повышенное содержание оротовой кислоты, которая является метаболитом, необходимым для синтеза РНК Результаты, полученные Мак-Коннелом, можно трактовать следующим образом: условия для более быстрого обучения создает повышенное содержание оротата у «обученных» планарий. Когда исследуют обучаемость регенерировавших планарий, сталкиваются не с переносом памяти, а с переносом навыка к ее формированию.

С другой стороны, оказалось, что когда регенерация планарий осуществляется в присутствии РНКазы, повышенную обучаемость демонстрируют только особи, полученные от головного фрагмента. Независимые эксперименты, проведенные в конце XX в. Г. Унгара, позволили выделить из мозга животных, обладающих рефлексом избегания темноты, 15-членный пептид, получивший название скотофобин (индуктор боязни темноты). По-видимому, и РНК, и некоторые специфические белки способны создавать условия для запуска функциональных связей (межнейронных сетей), аналогичных тем, которые были активированы у исходной особи.

В 2005 г. исполнилось 80 лет со дня рождения Мак-Коннела, опыты которого положили начало исследованию молекулярных носителей памяти. На рубеже XX и XXI вв. появились новые методы геномики и протеомики, использование которых позволило выявить вовлечение низкомолекулярных фрагментов транспортных РНК в процессы консолидации.

Новые факты дают возможность пересмотреть и концепцию о неучастии ДНК в механизмах долговременной памяти. Обнаружение в ткани мозга РНК-зависимой ДНК-полимеразы и наличие положительной корреляции ее активности с обучаемостью указывают на возможность участия ДНК в процессах формирования памяти. Обнаружилось, что выработка пищевых условных рефлексов резко активирует определенные участки (гены, ответственные за синтез специфических белков) ДНК в неокортексе. При этом отмечается, что активация ДНК затрагивает главным образом участки, редко повторяемые в геноме, и наблюдается не только в ядерной, но и в митохондриальной ДНК, причем в последней - в большей степени. Факторы, подавляющие память, одновременно подавляют и эти синтетические процессы.

Некоторые стимуляторы запоминания (по: Ашмарин, Стукалов, 1996)

В таблице  приведены примеры соединений, стимулирующих запоминание.

Возможно, что исследование участия ДНК в процессах формирования памяти позволит дать обоснованный ответ на вопрос, существуют ли условия, при которых сформированные навыки или возникшие впечатления могут быть наследуемы. Возможно, что генетическая память о давних событиях, пережитых предками, лежит в основе некоторых необъяснимых пока явлений психики.

Согласно остроумному, хотя и бездоказательному мнению, полеты во сне, сопровождающие окончательное формирование зрелого мозга, переживаемые каждым из нас в молодости, отражают ощущение полета, пережитого нашими далекими предками в пору, когда они ночевали на деревьях. Недаром полеты во сне никогда не заканчиваются падением - ведь те далекие предки, которые при падении не успевали схватиться за ветки, хотя и переживали это ощущение перед смертью, но не давали потомства...