Курсовая работа: Нейрохимические основы памяти
ингибиторы
В первом случае нарушение воспроизведения памятного следа вызывается действием агента, производящимся после предъявления запоминаемой информации. Во втором случае воздействие нарушающим память агентом производится до такого предъявления. Следует иметь в виду, что степень влияния воздействий, нарушающих ООП, на ту или иную форму амнезии может быть различной. Некоторые воздействия в большей мере влияют на ретроградную, в то время как другие — на антероградную амнезию. Кроме того, выраженность влияния различных агентов на воспроизведение запечатленного следа зависит от многих других факторов, таких как характер запоминаемой информации, время, прошедшее от запоминания до предъявления нарушающего память воздействия, или наоборот — от предъявления до запоминания и др.
Это подтверждает положение, что процесс формирования ООП является хоть и единым, но в значительной мере многокомпонентным. При этом надо иметь в виду, что на рассматриваемом временном интервале происходит процесс консолидации, т.е. формирования долговременной памяти. Поэтому во многих случаях указанные ингибиторы могут также влиять на этот процесс и препятствовать переходу запоминаемой информации из ООП в долговременную память. При последующей попытке воспроизвести выработанную реакцию, когда потребуется извлечение информации из долговременной памяти, такое нарушение консолидации будет проявляться в виде амнезии.
В качестве примера различия биохимического обеспечения кратковременной и более долговременной фаз ООП можно привести результаты экспериментов Р. Мэрка. Он 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 склевывали и уже безошибочно выбирали зерна. Если перед началом обучения в мозг птенцам вводили циклогексимцд, ингибирующий процесс синтеза белка, то обучение во время сеанса не нарушалось, но предотвращалось закрепление навыка, и через сутки цыплят приходилось обучать сначала. Если же точно так же интрацеребрально перед обучением цыплятам вводили ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы, влияющие на синоптические процессы в нейроне, выработка реакции различения зерен и гальки в день обучения полностью предотвращалась. Однако ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы не препятствовали формированию долговременного навыка. Через 30 мин после обучения цыплята уже предпочитали корм 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-АТ Фазы препятствует доступу к кратковременной памяти, но не мешает процессу консолидации — формированию долговременной памяти. Ингибитор синтеза белка, наоборот, нарушает консолидацию, но не влияет на ту форму обучения, которая укладывается на временном интервале, равном нескольким минутам. Другими словами, эти процессы до известной степени независимы.
Вернемся теперь к вопросу, какие нейрохимические механизмы могут обеспечивать фиксацию и хранение энграммы в течение того периода, который полагают характерным для ООП, т.е. от нескольких секунд до нескольких суток. С нейрофизиологической точки зрения любой поведенченский акт должен обусловливаться включением определенной группы нейронов, обеспечивающих его целенаправленное протекание и координацию составляющих его элементов. Следовательно, процесс запоминания или выработки нового навыка можно рассматривать как приобретение популяцией нервных элементов 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 определенного навыка вероятность передачи возбуждения в определенных сетях нейронов становится выше, чем в других сетях, в результате чего складываются "предпочтительные", т.е. наиболее вероятные ансамбли нервных клеток.
При возникновении соответствующей ситуации происходит преимущественное прохождение импульсов по предпочитаемым путям, что и обеспечивает формирование функциональной структуры, запускающей определенный тип поведения. По этим соображениям в современных исследованиях в качестве модели для изучения возможных механизмов памяти часто используют феномен так называемой пластичности нейронов. Этот феномен заключается в том, что под влиянием тех или иных факторов, в частности интенсивного возбуждения нервных клеток, происходит перестройка их пре- или постсинаптического аппарата. Такая перестройка продолжается более или менее длительное время, которое, во всяком случае, превышает длительность обычных синаптических процессов, связанных с проведением одного или серии импульсов. Функциональные изменения в синаптическом аппарате приводят к тому, что характеристики передачи возбуждения в нем становятся иными, чем они были до пластической перестройки. Соответственно, благодаря таким изменениям может модифицироваться эффективность и направленность межнейрональных связей, что и будет в значительной мере обусловливать процессы, связанные с запоминанием.
Исходя из всего сказанного, рассмотрим последовательно биохимические процессы, происходящие в нейроне в результате прихода импульсов к иннервирующим его синаптическим окончаниям, и попытаемся понять, какие из них могут быть ответственными за формирование тех пластических изменений, которые составляют основу ООП.
■ Когда нервный импульс приходит к синаптическому окончанию, происходит освобождение медиатора, который частично взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны. Остальная его часть разрушается специальным ферментом или захватывается обратно в пресинаптическую терминалы Следствием реакции медиатора с постсинаптическим аппаратом является изменение ионных потоков, протекающих через поверхность клетки. 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, 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 и влиять на их деятельность, что в некоторых теориях рассматривается как один из факторов, участвующих в процессах памяти.
Особенно важное значение в связи с рассматриваемым вопросом имеет повышение внутриклеточной концентрации кальция, которое может происходить как за счет вхождения этого иона в клетку извне, так и благодаря мобилизации внутриклеточных ресурсов. Дело в том, что значительное количество биохимических процессов в нервных клетках осуществляется при непременном участии ионов кальция, т.е. являются кальций-зависимыми. Последствиями таких процессов могут быть разнообразные пластические перестройки, в частности, усиление восприимчивости постсинаптической мембраны к действию медиаторов.
Одной из наиболее обоснованных концепций, рассматривающих процессы такого рода, является гипотеза Линча и Бодри. Суть гипотезы состоит в следующем. Концентрация ионов кальция вблизи постсинаптической мембраны оказывается повышенной после серии приходящих к синаптическому аппарату нервных импульсов. В результате этого в мембране постсинаптического нейрона происходит активация кальций-зависимой протеиназы — калпеина. Калпеин, в свою очередь, расщепляет один из расположенных здесь структурных белков — фодрин. При этом обнажаются чувствительные к глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокированы фодрином. Увеличение числа активных рецепторов глутамата может обусловливать состояние повышенной проводимости синапса, которое длится не менее нескольких суток.
Хотя эта гипотеза еще не может считаться окончательно доказанной, она подтверждается целым рядом экспериментов. Часть таких экспериментов основана на применении агентов, избирательно связывающих ионы кальция. Подведение этих агентов к клеткам, реагирующим на глутамат, нарушает состояние повышенной проводимости синаптического аппарата. Ингибитор протеиназ — лейпептин — в ряде случаев препятствует формированию памяти. Кроме того, при электронно-микроскопическом анализе постсинаптигческих мембран глутаминергических синапсов показано, что после прохождения нервных импульсов здесь увеличивается число малых отростков, которые, по всей вероятности, являются рецепторами глутамата. Наконец, показательно, что под влиянием ионов кальция связывание глутамата увеличивается именно в тех областях мозга, которые, судя по нейрофизиологическим данным, принимают наиболее активное участие в процессах обучения и консолидации, а именно, в коре и гиппокамие.
Участие ионов кальция в процессах, связанных с механизмами памяти, не ограничивается активацией рецептора глутамата. К числу других реакций относится активация в нервной клетке специфических элементов, осуществляющих фосфорилирование белков — протеинкиназ. Некоторые из протеинки-наз активируются ионами кальция при обязательном участии таких характерных для состава мембран соединений, как фосфоинозитиды, фосфоинозитолы и диацилглицерол, которые, как известно, образуются при прохождении нервного импульса одновременно с изменением концентрации кальция. Одна из протеинкиназ — протеинкиназа С, чья активность модифицируется ионами кальция и фосфолипидами, фосфорилирует ряд белков, содержащихся в синаптических мембранах, в том числе белок В-50. С фосфорилированием этого белка тесно связан уровень фосфорилирования фосфоинозитидов, которые, как полагают, оказывают значительное влияние на заряд и состояние ионных каналов постсинаптической мембраны и, следовательно, на степень "проторенности" синапса.
Дополнительным свидетельством значения фосфорилирования протеинкиназой С белка В-50 служат результаты экспериментов с долговременной синаптической потенциацией нейронов гип-покампа. Феномен долговременной синаптической потенциа-ции заключается в том, что после длительного высокочастотного раздражения нервной клетки ее ответ на приходящие импульсы в течение довольно продолжительного времени оказывается усиленным. Это явление в настоящее время служит одной из основных моделей нейронной пластичности, которая, как было сказано, в свою очередь используется для изучения механизмов памяти. В ряде экспериментов различных исследователей было показано, что во время долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа происходит резкая активация фосфорилирования белка В-50 протеинкиназой С.
Весьма перспективной представляется новая проблема, основанная на активации ионами кальция кальмодулин-зависи-мой протеинкиназы II. Последняя замечательна тем, что после первичной активации она способна к аутофосфори-лированию, поддерживающему далее ее активность и активность вновь синтезируемых молекул этого фермента в течение очень длительного времени. К3П II локализована в синапсах и может таким образом участвовать в механизмах длительного изменения проводимости данного синапса.
В последнее время внимание ряда исследователей привлекает возможная роль ганглиозидов в кальций-зависимых синаптических процессах. Ганглиозиды способны, в частности, активно участвовать в стимуляции как глутаматных рецепторов коры и гиппокампа. При этом необходимым условием является образование комплексов ганглиозидов с ионами кальция.
Изменение состояния синаптического аппарата при прохождении нервного импульса может влиять также еще на одну группу биохимических процессов — синтез циклических нуклеотидов. При этом может происходить как активация, так и ингибирование ферментов этой системы. Модификация деятельности циклазной системы может осуществляться путем прямого воздействия через рецептор медиатором или комедиатором на аденилат или гуанилатииклазу. Активация циклазных систем связана с увеличением концентрации ионов кальция, так как некоторые циклазы являются кальций-зависимыми ферментами. Синтезированные в результате циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ, в свою очередь, активируют некоторые протеинкиназы, оказывающие влияние на фосфорилирование ряда белков.
Изменение интенсивности фосфорилирования ряда белков, в частности белков хроматина, РНК-полимеразы и рибосом может влиять на синтез некоторых нейроспецифических белков. Наиболее исследованы два белка — белок S-100 и белок 14-3-2. Оба белка считаются нейроспецифическими, так как их содержание в головном мозге значительно превышает количество, обнаруживаемое в любом другом органе. При этом показано, что белок 14-3-2 содержится главным образом в нейронах, aS-100 — в клетках алии. Кроме того, S-100 обнаружен в синапсах, что дает основание полагать, что он участвует в формировании связей между нейронами.
Было показано, что содержание белка S-100 в нейронах гиппокампа начинает возрастать примерно через час после обучения, достигает максимума через 3-6 ч и через несколько суток возвращается к исходному уровню. Сходная динамика обнаружена и для процесса обновления белка 14-3-2, оцениваемого по скорости включения в него меченого лейцина.
Свидетельством в пользу 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 изменялась. Кроме того, необходимо иметь в виду общеизвестные факты, говорящие о том, что подавление синтеза белка в мозге ведет к нарушению фазы консолидации и формирования ООП и ДПП . Таким образом, есть все основания считать, что в основе продолжительных типов ООП лежит синтез определенных нейроспецифических белков, которые могут встраиваться в синоптические мембраны.
К числу процессов, способных опосредованно влиять на обучение, относится также модификация синтеза нуклеиновых кислот. В недавнем прошлом среди исследователей было распространено представление о том, что запоминаемая информация хранится в клетках мозга в виде последовательности нуклеотидов во вновь синтезированных нуклеиновых кислотах. В связи с этим ссылались на большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при обучении происходит увеличение синтеза некоторых фракций РНК, в том числе таких, состав которых отличается от последовательности нуклеотидов, характерной для РНК необученных животных. По современным представлениям, однако, эти данные объясняются не синтезом принципиально новой РНК, последовательность нуклеотидов в которой не была закодирована в клетке, а включением, экспрессией участков генома, ответственных за описанный синтез нейроспецифических белков, связанных с обучением.
Экспрессия определенной совокупности генов лежит в основе структурно-функциональной организации любой специализированной клетки многоклеточного организма. Неудивительно, что при функциональной активации нервной системы, например во время обучения, наблюдается интенсификация процессов синтеза РНК и белков в клетках мозга. Сейчас интенсивно изучается вопрос о том, в какой мере происходящие при обучении изменения в экспрессии генов связаны с процессом фиксации и какова молекулярная природа этого процесса, включают ли эти изменения активацию транскрипции ранее "молчащих" генов или они ограничены чисто количественными сдвигами в уровне экспрессии генов.
Неизвестно, связана ли фиксация разнокачественной информации с экспрессией разных генов или существует универсальный для всех пластичных нейронов механизм "записи". Основной трудностью на пути исследования этих вопросов является слабая изученность лежащего в их основе вопроса о морфологическом и нейрофизиологическом субстрате памяти. Исследования специфической для обучения экспрессии генов на целом мозге или его крупных подразделениях неминуемо упирается в проблему "иголки в стоге сена": они затрагивают огромные популяции нервных клеток, функциональная активность которых необходима не для процесса фиксации памяти как такового, а для так называемых неспецифических атрибутов процесса обучения.
Вычленение процесса фиксации памяти из этого общего биологического контекста на уровне целого организма пока трудно осуществить. Неудивительно, что основные успехи в понимании молекулярной природы механизма "записи" информации в нервных клетках достигнуты на простых клеточных моделях обучения, связанных с использованием явлений пластичности в изолированных элементах нервной системы.
Наиболее изученной системой такого рода является моносинаптическая дуга безусловного рефлекса втягивания жабры и сифона в ответ на слабое тактильное раздражение сифона у брюхоногого моллюска аплизии. Амплитуда этого рефлекса кратковременно повышается при однократной и долговременно — при повторяющейся болевой стимуляции области головы или хвоста. В обоих случаях сенситизация связана с повышением эффективности синапсов между сенсорными нейронами сифона и мотонейронами жабры и сифона. С удлинением периода болевой стимуляции продолжительность сохранения сенситизации также постепенно увеличивается: кратковременная сенситизация "перерастает" в долговременную.
Обе формы сенситизации имеют общую морфологическую и нейрофизиологическую основу, но их молекулярные механизмы принципиально различаются. В основе кратковременной сенситизации лежит независимое от текущей экспрессии генов и обратимое повышение уровня фосфорилирования группы белков в сенсорных нейронах сифона, обусловленное кратковременной активацией аденилатциклазы, сопряженной с пресинаптическими рецепторами 5-НТ. Природа и функция большинства этих белков неизвестна, однако одним из них является белок 5-НТ-чувствительного канала К+ , уменьшение проводимости которого и составляет основу механизма сенситизации. При долговременной сенситизации фосфорилирование тех же белков повышено в течение срока, соответствующего длительности самой сенситизации, причем этот эффект, как и сама сенситизация, полностью блокируется при ингибировании текущей экспресии генов в период обучения. Анализ индивидуальных, вновь синтезированных при обучении белков методом двумерного электрофореза позволил обнаружить избирательное повышение скорости синтеза нескольких белков, но их природа и функциональная роль пока неизвестны.
Одной из форм долговременного хранения информации в индивидуальных нейронах, так же как в целой центральной нервной системе, является устойчивое изменение в активности нейромедиаторных систем в ответ на адекватную синаптическую стимуляцию. При синаптической стимуляции симпатических нейронов наблюдается устойчивое и многократное повышение уровня мРНК тирозингидроксилазы и уменьшение уровня мРНК препротахикинина. Аналогично, адекватная синаптическая стимуляция приводит к устойчивому повышению уровня мРНК тирозингидроксилазы в норадренергических нейронах голубого пятна и дофаминергических нейронах черной субстанции.
Полученные при исследовании простых нейронных систем данные касаются зачаточных механизмов мнемонической функции, свойственных многим, если не всем нейронам, на разных уровнях центральной и периферической нервной системы. Их, однако, явно недостаточно для объяснения таких свойств долговременной памяти высших животных, как огромное информационное разнообразие и чрезвычайная стойкость.
Пожизненная долговременная память