Нейрохимические основы памяти

p align="left">¦ Все эти данные свидетельствуют о возможном участии метаболизма ДНК в процессах формирования и хранения нейрологической памяти. К сожалению, механизмы этого участия пока остаются практически неизученными.

Энзиматическое метилирование остатков цитозина в ДНК клеток животных рассматривается как один из основных механизмов регуляции дифференциальной экспрессии генов. Для огромного количества генов обнаружена обратная корреляция между степенью метилирования остатков цитозина в области промотора и экспрессией.

Степень метилирования ДНК в различных отделах головного мозга и более тонких подразделениях каждого отдела неодинакова. Дексаметазон вызывает повышение, а ареколин -- уменьшение степени метилирования ДНК в мозге. Степень метилирования ДНК в мозге крыс возрастает при старении.

При выработке сложного инструментального пищедобывательного условного рефлекса у крыс наблюдали обратимое повышение уровня метилирования ДНК в гиппокампе и неокорте ксе, а при выработке простого пищевого условного рефлекса -- также и в мозжечке. Отмеченные изменения уровня метилирования затрагивают главным образом ядерную ДНК нейронов. Значение выявленных обратимых изменений в уровне метилирования ДНК мозга при обучении остается неизвестным. Представляется маловероятным, что они непосредственно связаны с регуляцией транскрипции генов, поскольку, как показали многочисленные исследования последних лет, активность генов мало зависит от общего уровня их метилирования и определяется скорее состоянием небольшого числа "критических" для транскрипции потенциально метилируемых участков в промоторной области. Сами масштабы и сроки обнаруженных сдвигов в метилировании ДНК при обучении свидетельствуют о том, что они связаны с сопоставимыми глобальными процессами синтеза ДНК и/или структурой реорганизации хроматина. В связи с этим было бы интересным выяснить возможную связь между изменением в уровне метилирования ДНК мозга и синтеза в нем метаболически лабильной ДНК. Следует отметить, однако, что вновь синтезированная в мозге крыс ДНК, индуцированная обучением, существенно не отличается от предшествовавшей ДНК по уровню метилирования. Приходится констатировать, что механизмы обратимого повышения метилирования ДНК при обучении и функциональная роль этого процесса пока остаются загадочными.

Основой долговременной памяти могут служить не только структурные изменения внутри ДНК. Существуют предположения, что устойчивое состояние, связанное с экспрессией либо депрессией определенных генов, формируется благодаря процессам, описываемым на базе, например, модифицированных моделей Жакоба и Моно. Конкретный процесс может, в частности, выглядеть следующим образом. В исходном состоянии транскриптон, ответственный за синтез данного белка, выключен определенным репрессором. В результате какого-то воздействия, например вследствие процессов, происходящих в синаптическом аппарате, происходит экспрессия транскриптона и синтез интересующего нас белка. После прекращения воздействия участок генома может снова оказаться репрессированным и синтез прекратится. Но в ряде случаев синтезируемый белок оказывается способным связывать репрессор своего оперона. Тогда возникает устойчивый цикл, который уже не прерывается после прекращения воздействия.

Такая схема объясняет, например, почему ингибиторы синтеза белка и ДНК не нарушают тех процессов, которые уже прошли консолидацию и зафиксированы в долговременной памяти. Для того чтобы прервать запущенный цикл, требуется прекратить синтез биополимеров полностью и на очень длительный срок, а это трудно совместить с жизнью животного, к тому же такие ингибиторы в настоящее время неизвестны. Если же синтез белка продолжается, хотя бы и с небольшой интенсивностью, цикл не может быть необратимо подавлен.

Первые экспериментальные указания на справедливость моделей такого типа получены при исследовании вентрального гиперстриатума во время формирования условных рефлексов пассивного избегания у цыплят. В мозге высших животных, как и в ЦНС аплизии, кратковременные и долговременные формы пластичности могут иметь общую структурную и отчасти молекулярную основу: существенным компонентом механизма длительной посттетанической потенциации в гиппокампе млекопитающих является фосфорилирование протеинкиназой С пресинаптического белка F1, который, как показало изучение первичной структуры мРНК, идентичен белку GAP-43 -- важнейшему элементу процессов роста и регенерации нервных окончаний. 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 цингулярной коре. В мозге взрослых крыс местами наиболее активной экспрессии гена GAP-43 являются гиппокамп и энторинальная кора, тогда как в неокортексе, мозжечке и стволовых структурах число экспрессирующих нейронов очень невелико. Содержащие GAP-43 аксоны образуют редкую, но распределенную по всему мозгу синаптическую сеть, которая, возможно, и является объектом реорганизации при всевозможных процессах долговременной пластичности.

Первые часы формирования долговременной памяти весьма уязвимы к действию агентов, подавляющих текущую экспрессию генов, тогда как на более поздних этапах она становится относительно устойчивой, Первичной мишенью действия ингибиторов на ранние этапы формирования памяти вряд ли может быть экспрессия поздних эффекторных генов GAP-43 или тирозингидроксилазного, поскольку повышение уровня их экспрессии обычно наблюдается на более поздних этапах. Маловероятно также, что включение различных эффекторных механизмов долговременной пластичности является прямым ответом на синаптическую активацию. Промежуточным звеном между этими процессами, объясняющими чувствительность ранних этапов формирования памяти к действию ингибиторов, является, вероятно, быстрая и обратимая активация так называемых немедленных ранних генов. Активация этих генов является наиболее ранним и быстропроходящим ответом клеточного ядра различных клеток на действие всевозможных внешних стимулов. Более поздним последствием этого процесса является активация экспрессии эффекторных генов, обеспечивающая долговременный адаптивный ответ клетки на действие внешнего стимула.

Одним из замечательных свойств немедленных ранних генов является их способность активироваться при действии самых разных внешних стимулов на клеточную мембрану. Эта способность основана на присутствии в промоторной области каждого из этих генов сложной мозаики взаимодействующих позитивных и негативных регуляторных элементов, узнаваемых разными системами вторичных посредников. В целом немедленные ранние гены кодируют несколько обширных семейств специфических белков-регуляторов транскрипции.

Способность этих белков к продуктивному взаимодействию с промоторными элементами разных эффекторных генов зависят как от индивидуальной специфичности каждого из белков, так и от их способности объединяться в гомо- и гетеродимеры. Показано, что ген c-fos опосредует индуцированную фактором роста нервов дифференцировку клеток PC 12 в неделяшиеся ацетилхолин-чувствительные клетки, сходные с симпатическими нейронами. Долговременная адаптация клеток мозга мыши к действию конвульсантов метразола и пиротоксинй включает стадию быстрой активации немедленных ранних генов. Этот эффект не имеет непосредственного отношения к судорожному действию препаратов и затрагивает обширные популяции нейронов в разных отделах мозга.

Показано также, что активация c-fos генов может быть индуктором синтеза нейротрофинов, которые способны модулировать образование отростков и новых синапсов.

При индукции долговременной посттетанической потенциации в зубчатой фасции гиппокампа высокочастотной стимуляцией волокон перфорантного тракта наблюдается быстрая активация одного из немедленных ранних генов, zif/268, кодирующего ДНК-связывающий белок с "Zn-пальцами". Эффект активации zif/268 совпадает с самой долговременной потенциацией. Специфические антагонисты глутаматных рецепторов NMDA блокируют генерацию ДПП и предшествующую ей активацию гена zif/268, но не влияют на активацию этого и других немедленных ранних генов конвульсантами. Эти и многие другие данные позволяют выстроить одну из гипотетических цепочек реакций, ведущих к формированию долговременной памяти: повторная интенсивная импульсация выключение рецепторов глутамата активация некоторых генов раннего реагирования индукция синтеза нейротрофинов -> модуляция числа синапсов и/или перестройка регу-ляторных отношений в геноме, ведущая к постоянному включению генов, кодирующих факторы "проторения" синапса.

В попытках раскрытия механизмов пожизненной долговременной нейрологической памяти полезно сопоставление ее с другими формами биологической памяти -- генетической, эпигенетической и иммунологической. Первые две формы возникли на ранних этапах эволюции, задолго до нейрологической памяти, и определяли и определяют наследование структурно-функциональных особенностей организма, дифференцировку клеток в процессе онтогенеза и т.п. Существует, однако, еще одна форма памяти -- иммунологическая память -- филогенетически более близкая к нейрологической и, по некоторым предположениям, тесно с ней связанная. В иммунологической памяти, как и в ДПП, происходит длительная, часто пожизненная, фиксация информации о редких, даже единичных, событиях. В настоящее время доказано, что формирование иммунологической памяти не связано с образованием новых генетических последовательностей. Происходит отбор и включение только уже существующих в организме носителей определенных генов.

Сущность гипотезы об участии иммунологических механизмов в процессах ДПП сводится к следующему. При многократном прохождении импульсов через синапс усиливается синтез специфических белков, например гликопротеидов, характерных лишь для данной небольшой группы нейронов. Эти белки являются компонентами синаптических мембран и при отсутствии повторной импульсации синтезируются в количествах, достаточных только для их обновления. Если же происходит длительная многократная импульсация, синтез этих белков значительно усиливается и в результате возникающего их избытка они начинают выделяться в околосинаптическое пространство. Вышедшие белки обладают антигенными свойствами и могут взаимодействовать с определенными клонами клеток глии, которые имеют сходство с лимфоцитами и способны продуцировать соответствующие антигену антитела. Такие клетки обнаружены в мозге и показана их способность продуцировать антитела, отличные от тех, которые образуются в других тканях.

Таким образом, мозг является в какой-то мере автономной иммунной системой. Следовательно, есть основания считать, что вышедшие в межклеточное пространство белки-антигены индуцируют в клетках глии процессы, подобные тем, которые описаны для лимфоцитов -- их трансформацию, размножение и способность к синтезу антител или антителоподобных веществ, специфически взаимодействующих с данными гликопротеидами мембран тех же нейронов. Связываясь с ними, они модифицируют синаптическую проводимость.

Способность к синтезу определенных антител данным клоном клеток глии может сохраняться в течение всей жизни так же, как это свойственно иммунологической памяти вообще. Столь же продолжительной оказывается модификация синапсов, что и служит в конечном счете основой. ДП„.

Преимуществом гипотезы об иммунологической природе ДПП является, во-первых, то, что она устанавливает тесное единство нейрологической памяти с близкой к ней филогенетически, но менее совершенной системой иммунологической памяти, а, во-вторых, позволяет объяснить многие факты, свидетельствующие о том, что клеткам глии принадлежат разнообразные функции, помимо трофических, защитных и изоляционных, обслуживающих метаболические процессы в нейронах, например, тот факт, что отношение числа клеток глии к числу нейронов растет по мере филогенетического совершенствования мозга.

Иммунохимическая гипотеза памяти не противоречит существующим представлениям об иммуногенезе как о защитном механизме. Прежде всего, образование антител -- это процесс, происходящий не только при патологии, но и в норме для удаления компонентов организма, подлежащих на определенной стадии уничтожению. Очень существенным является также факт довольно строгой иммунообособленности мозга, так как без этого нельзя себе представить протекание строго ограниченных, локальных процессов образования антител, влияющих лишь на небольшие группы синапсов.

Таким образом, гипотеза об иммунохимических механизмах долговременной памяти имеет целый ряд преимуществ и обоснований. Однако для ее окончательного доказательства требуется, прежде всего, строгое экспериментальное подтверждение способности клеток глии вести себя подобно лимфоцитам в отношении иммунных реакций, Кроме того, пока нет прямых сведений об образовании антителоподобных факторов при консолидации, что, возможно, связано с чрезвычайной методической трудностью их выявления. Пока имеются лишь косвенные данные, указывающие на связь иммунных процессов с механизмами памяти. Согласно этим данным, введение адъюванта Фрейнда --стимулятора иммунных процессов -- способно в значительной мере изменять скорость выработки различных поведенческих навыков у экспериментальных животных.

2. Информационная емкость нейрологической памяти

Все созданные до сих пор гипотезы, касающиеся вопроса о том, в каком виде хранится запоминаемая информация, можно подразделить на две основные категории. Согласно одной, основой памяти является синтез новых макромолекул, не существовавших ранее в организме, а в соответствии с другой, более обоснованной экспериментально, -- субстратом памяти служит формирование устойчивых взаимодействий элементов нервной системы, при которых имеет место усиление или включение синтеза ряда соединений, не новых для данного организма. Последние, как было сказано, модифицируют работу синаптического аппарата, создавая возможности для предпочтительного проведения возбуждения в определенных нервных сетях. В этом случае основой нейрологической памяти могут быть системы, подобные тем, которые используются в ЭВМ, т.е. системы со связанными переключателями. Запоминание при этом состоит в фиксации определенного положения переключателей, образующих строго определенную систему связей, при которой прохождение сигналов будет направлено строго определенным образом. При такой аналогии каждый нейрон может быть уподоблен многопозиционному переключателю.

Возникает вопрос, обеспечивает ли такая модель достаточные возможности для хранения всей той информации, которая должна фиксироваться животным в течение его жизни. Согласно теории информации информационная емкость некоторой структуры может быть измерена в единицах информации по формуле I - log2N, где N -- число возможных вариантов состояния структуры, a log2N -- соответственно логарифм этого числа по основанию 2.

Определим возможную емкость нервной сети из m нейронов. Если на каждой нервной клетке расположено п синаптических окончаний, то число возможных состояний такой системы равно nm и ее информационная емкость при условии, что все состояния считаются равновероятными, составляет

Число нейронов в мозге примем равным 54 О9, а количество синаптических контактов у каждого из них примем с точностью до порядка равным I02. Если хотя бы только 10% нейронов связано с памятью, то информационная емкость такой системы составляет

Теоретический максимум информации, которая размещается в течение жизни в самой долговременной памяти, можно рассчитать, исхода из сведений о максимальной скорости ввода новой информации в мозг человека и о той доли информации, которая надолго закрепляется в ДП. Эти показатели сравнительно просто поддаются экспериментальной оценке, если пользоваться легко анализируемыми источниками информации.

Исходя из экспериментальных оценок, максимальная скорость ввода информации составляет 10-30 бит/с. В ДП закрепляется не более одного процента вводимой информации, т.е. скорость поступления информации в ДП можно принять равной 0,1-0,3 бит/с. При продолжительности жизни, равной семидесяти годам, с учетом того, что человек бодрствует две трети жизни, непрерывно поглощая при этом информацию, общее количество информации, зафиксированной в ДП, будет порядка 109 бит. Это в три раза меньше приведенной оценки для информационной емкости мозга.

Что касается КП и ООП, то их объем много меньше, чем объем ДП. Предположим, продолжительность ООП составляет несколько часов и в течение этого периода в ней хранятся все сто процентов воспринятой информации, тогда информационная емкость этой формы памяти составит ~3-Ю5 бит, что в десять тысяч раз меньше рассчитанных возможностей мозга.

Так обстоит дело с возможностью хранения информации в виде фиксированных межнейронных связей. Попытаемся теперь ответить на вопрос, возможно ли запасание информации в структуре макромолекул с точки зрения их информационной емкости. Сопоставим данные о количестве информации, которую мозг человека может накапливать в течение жизни, с информационной емкостью линейных полимеров, используемых системами генетической памяти.

Четыре вида нуклеотидов могут образовывать 43 = 64 варианта триплетов. Информация, содержащаяся в одном триплете, следовательно, должна была бы составить log264 = 6 бит. На самом деле, поскольку код вырожден и некоторым триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, информация, содержащаяся в триплете, оказывается меньше и составляет приблизительно 4 бит. Информационное содержание одного аминокислотного остатка в полипептиде, казалось бы, должно быть таким же, как в триплете, но на самом деле оно оказывается меньше из-за различной частоты встречаемости аминокислот и при вычислении по формуле Шеннона составляет примерно 2 бит.

Следовательно, при информационном содержании памяти 109 бит для хранения этой информации требуется 2,5-Ю11 Д информационной РНК, около 5-10й Д ДНК и около 5 1010 Д белка. Согласно данным Хидена, в цитоплазме большого нейрона содержится 650 пг, а в ядре -- 30 пг РНК, что равно, соответственно, 4-Ю14 и 1,8-1013 Д. В других нейронах содержание РНК меньше, но все равно оно колеблется около Ю13 Д. Это в несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.

Количество ДНК в нейронах уступает содержанию РНК. ДНК находится в основном в ядрах и составляет там -6-Ю12 Д, но и эта величина оказывается приблизительно в десять раз больше величины, требуемой для обеспечения памяти. Другими словами, десятой доли количества ДНК или сотой доли РНК, содержащейся в нейроне, достаточно для хранения нейрологической памяти, которую человек фиксирует в течение жизни.

Доля белка, содержащегося в нейронах, необходимая для фиксации энграммы, оказывается еще меньше.

Итак, биополимеров одного нейрона с избытком достаточно для обеспечения как ограниченной во времени, так и долговременной памяти мозга. Более того, количество ДНК в хромосомах нейрона таково, что, следуя цепи рассуждений, можно дойти до предположений о генетической передаче какой-то доли приобретенной нейрологической информации. Однако такое утверждение противоречит экспериментальным данным и теоретическим представлениям современной генетики.

Приведенные расчеты следует оценивать лишь как доказательство заведомой, колоссальной избыточности информационной емкости макромолекул клеток мозга. Очевидно также, что только из оценок информационной емкости макромолекул не вытекает необходимость существования в мозге огромного количества нервных клеток. Иначе говоря, только с точки зрения количества информации нельзя сделать выбор между гипотезой о том, что память основана на межнейронных взаимодействиях, и гипотезой о непосредственном хранении памяти в биополимерах.

Не решает однозначно вопроса о способе хранения энграммы и тот факт, что ингибиторы синтеза ДНК не подавляют ни фиксацию, ни хранения следа в ДП. Если считать, что в ДП в течение суток включается около 2104 бит информации, то это составит примерно 107 Д вновь синтезируемой ДНК, т.е. всего миллионную долю ДНК, содержащейся в одной нервной клетке. Даже если допустить, что при запоминании синтезируются десятки идентичных молекул ДНК, то и в этом случае такую долю можно не уловить существующими аналитическими методами и не отметить нарушения запоминания такими ингибиторами, как, например, цитозинарабинозид, степень торможения синтеза ДНК которым составляет не намного более 95%.

Таким образом, вопрос о механизме хранения энграммы приходится решать другими методами. Результаты исследований в настоящее время все в большей степени свидетельствуют о предпочтительности гипотезы, согласно которой память хранится в виде структуры межнейронных взаимодействий.

3. Роль нейромедиаторов в регуляции памяти

Ввиду того, что процессы памяти тесно связаны с модификацией синаптических процессов, химические передатчики нервного возбуждения должны играть здесь принципиальную роль. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, касающийся значения нейромедиаторов в процессах памяти и обучения. Полученные результаты свидетельствуют о большой значимости основных медиаторов в этих процессах, хотя конкретные формы участия каждого медиатора, по-видимому, зависят от того, какой именно тип информации запоминается.

Страницы: 1, 2, 3, 4