Вести с полей: «Клеточные и молекулярные механизмы памяти»

Павел Балабан начал свой доклад следующими словами: «Работа мозга и в частности одна из основных его функций – формирование долговременной памяти – процесс сложный и часто рассматриваемый исследователями не в пространстве и времени, а на плоскости. Но важно учитывать, что фактор времени обязательно присутствует и его нужно учитывать. Также докладчик обратил внимание на то, что важно правильно понимать и различать термины «память» и «обучение». Так, обучение – это процесс формирования адаптивных изменений в организме, а память представляет собой результат обучения и механизм адаптации организма.

Механизмы, лежащие в основе памяти, давно интересуют физиологов. В середине прошлого века ученые задумались о том, можно ли «переносить» память от одного животного другому. Докладчик рассказал об интересных экспериментах того времени, проведенных на беспозвоночных животных – плоском черве планарии и брюхоногих моллюсках. Американский ученый Джеймс Мак-Коннелл показал, что у регенерировавших «кусочков» разрезанной планарии – головы и хвоста – остаются признаки памяти, которая была у исходного организма. Джеймс Мак-Коннелл стал искать, за счет чего может осуществляться «перенос памяти», и пришел к заключению, что эту роль могут выполнять молекулы РНК. Подобные результаты показали и эксперименты на брюхоногих моллюсках.

Однако вопрос о том, как на самом деле связаны те или иные молекулы (РНК, белки и другие) и память, долгое время оставался нерешенным. На сегодняшний день известно, что в основе формирования памяти лежит синаптическая пластичность, то есть определенные изменения в синаптических связях между нейронами. Поэтому, вероятно, должны существовать определенные «молекулы памяти», которые могли бы появляться в синапсах и существовать там длительное время, вплоть до конца жизни (пока сохраняется память).

Исследователи описали многочисленные молекулярные системы и сигнальные каскады, обеспечивающие способность нервных клеток долгое время хранить информацию. В частности, в качестве основы запоминания рассматривают изменения, которые происходят в активности киназ – ферментов, переносящих фосфорный остаток с одних молекул на другие. Оказалось, что клетки глии, окружающие нейроны, синтезируют в синапс протеинкиназу mζ (PKmζ). Эта молекула отвечает за перемещение рецепторов на постсинаптической мембране нейронов.

Многочисленные эксперименты показали, что этот белок действительно связан с обучением и формированием памяти, однако взаимосвязь между активностью киназы и запоминанием оказалась не абсолютной. Это объясняется тем, что долговременная память существует в двух формах: зависящей от PKmζ и не зависящей от нее. Если активировать первую, через определенное время (около 4-6 часов) она переходит во вторую. Этот процесс «перехода» называют консолидацией памяти. Его существование подтверждается тем, что, если в течение 4-6 часов после обучения нейронов подействовать на них молекулой-блокатором PKmζ, то изначально сформированную память удается «стереть». Если же попытаться нарушить память, вводя блокатор позже, он оказывается неэффективным.

«Несмотря на то, что подобные эксперименты позволили доказать роль PKmζ в формировании памяти, они не объясняют, почему естественным образом память со временем «стирается», изменяется. В природе ведь нет такого блокатора, который искусственно использовали ученые в лаборатории», – так сформулировал еще один важный вопрос, касающийся памяти, Павел Балабан. Оказывается, в природе существует естественный механизм «стирания» памяти, который необходим для того, чтобы создавались новые воспоминания и могло происходить обучение. В основе такого механизма лежит оксид азота. Эта молекула синтезируется и кратковременно выделяется в синапс очень локально, но в довольно высокой концентрации. Оксид азота соединяется со всеми белками, которые оказываются в месте ее действия, в результате чего последние меняют свои функции. Соответственно, эта молекула может блокировать PKmζ и ее гомологи. Докладчик подчеркнул, что именно локальное выделение оксида азота может лежать в основе механизма синаптической пластичности и, следовательно, обучения и формирования памяти.

В заключение ученый обратил внимание на эпигенетические механизмы регуляции при формировании памяти. Он отметил, что эпигенетические факторы, участвующие в этом процессе, в основном, синтезируются в глиальных клетках — астроцитах. Это подтверждает ключевую роль нейронного окружения в формировании долговременной памяти.

Текст: Виталина Власова

Съезд посвящен 300-летию Российской академии наук и включен в инициативу «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».