Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

Однако механизмы регуляции экспрессии генов при обучении имеют одно чрезвычайно важное отличие от сходных процессов в развитии.

9.10. На системном уровне активность генов в мозге при обучении находится под когнитивным контролем

Выше уже упоминалось, что вопрос о том, вызовет или нет какаялибо поведенческая ситуация экспрессию «ранних» генов в клетках мозга, критическим образом зависит от содержания прошлого индивидуального опыта животного и определяется фактором субъективной новизны данного события (см. табл. 9.1). Это хорошо видно из следующего эксперимента.

Мышей помещали в камеру, где они получали серию неизбегаемых электрокожных раздражений. Это вызывало у них массивную активацию экспрессии гена c-fos в ряде структур головного мозга: коре, гиппокампе и мозжечке. Однако после того как животных регулярно подвергали этому воздействию на протяжении 6 дней, в конце концов та же самая процедура, связанная с аверсивной стимуляцией, переставала вызывать активацию c-fos в клетках мозга. Хотя животные продолжали подвергаться электрокожному раздражению, это воздействие утеряло свою новизну и перешло в категорию ожидаемых событий в системах их индивидуального опыта. Таким образом, экспрессия c-fos в данных условиях вызывается вовсе не внешними стимулами, действующими на мозг, а их несоответствием материалу индивидуальной памяти. Наиболее демонстративно это можно было увидеть на животных специальной группы, которым наносили раздражение на протяжении пяти дней, а на шестой день помещали их в ту же камеру, но электрокожную стимуляцию они в ней не получали. Это отсутствие стимуляции вызывало на первый взгляд парадоксальный эффект: животные данной группы демонстрировали значительную активацию экспрессии гена ñ-fos в мозге, особенно в гиппокампе.

Описывая эту закономерность в терминах теории функциональных систем, можно сказать, что экспрессия «ранних» генов в клетках головного мозга бодрствующего взрослого животного наступает при условии рассогласования обстановочной, пусковой или мотивационной афферентации с акцептором результатов действий в какой-либо из врожденных или приобретенных функциональных систем организма. Другими словами, это означает, что активность «ранних» генов в поведении является производной от системных процессов сличения афферентации и содержания индивидуального опыта на нейронах головного мозга, процессов,

260

которые определяются фактором новизны, то есть категорией субъективной оценки организмом среды и собственного поведения.

Следовательно, взаимоотношение процессов развития нервной системы и обучения требует описания на двух различных уровнях. На уровне регуляции экспрессии генов обучение действительно составляет с развитием мозга единый континуум. В обоих случаях дифференцировка нервных клеток зависит от активации в них определенных транскрипционных факторов. Некоторые из этих белков кодируются семейством «ранних» генов. Активация этих генов и в развивающемся, и обучающемся мозге осуществляется посредством факторов роста, медиаторов и гормонов. Вслед за экспрессией транскрипционных факторов наступает вторая волна активации «поздних», или эффекторных генов. Белковые продукты этих генов выполняют разнообразные функции в нервных клетках. В частности, молекулы клеточной адгезии и другие синаптические белки изменяют связи нейрона, устанавливая функциональную специализацию клетки в системе межклеточных отношений. Сходство молекулярных механизмов клеточной специализации на границе между завершающими стадиями созревания нервных связей и началом их модификации в поведении настолько велико, что, пользуясь одними лишь критериями молекулярного анализа, часто невозможно определить, относится ли рассматриваемый клеточный процесс к развитию или к обучению.

Однако демаркация между процессами развития и обучения отчетливо выявляется при системном анализе проблемы. Если на уровне молекулярных механизмов регуляции транскрипции обучение действительно выступает как продолжающийся процесс развития, то на системном уровне управление этим клеточным процессом претерпевает фундаментальную трансформацию. Оно переходит из-под контроля только локальных клеточных и молекулярных взаимодействий под контроль более высокого порядка — общемозговых интегративных процессов, которые протекают в функциональных системах, составляющих индивидуальный опыт организма.

9.11. Итоги и перспективы

Исследования молекулярных основ долговременной памяти свидетельствуют в пользу глубокого изохимизма молекулярно-генетических механизмов обучения и механизмов развития нервной системы. Эти данные заставляют полагать, что на молекулярно-генетическом уровне обучение продолжает процессы развития, образуя эпизоды дополни-

261

тельного морфогенеза во взрослом мозге. Сходство это, особенно на границе между завершающими стадиями созревания нервных связей и началом их модификации в поведении, настолько велико, что, пользуясь одними лишь молекулярными критериями, часто невозможно определить, относится ли рассматриваемый процесс к развитию или к обучению.

Однако демаркация между этими процессами отчетливо выявляется при их сопоставлении в контексте системных механизмов деятельности мозга. Если на уровне молекулярных механизмов регуляции транскрипции обучение действительно выступает как продолжающийся процесс развития, то на системном уровне управление этим клеточ- ным процессом претерпевает после рождения фундаментальную трансформацию. Регуляция индуцируемых клеточной активностью «ранних» и «поздних» генов во взрослой нервной системе включена в механизмы самоорганизации поведенческих функциональных систем. Таким образом, она переходит из-под влияния чисто локальных клеточных и молекулярных взаимодействий под контроль общемозговых интегративных функций. Это превращает морфогенез в мозге при обучении в производное от системных, когнитивных процессов.

Такое заключение серьезным образом влияет на понимание молекулярных механизмов обучения и памяти. Оно означает, что при анализе процессов активации экспрессии генов и синаптической пластич- ности в клетках нервной системы при обучении необходимо каждый раз отвечать на вопрос, в каких функциональных системах находились эти нейроны? Приурочена ли экспрессия генов при обучении к нейронам старых систем, которые вошли в противоречие с изменившимися обстоятельствами среды, или же она отражает процессы специализации новых нейронов и формирования новых систем, обеспечивающих достижение адаптивных результатов в измененных условиях?

Очевидно, что ответ на эти вопросы требует гораздо большего, чем просто анализ экспрессии генов в структурах головного мозга при тех или иных формах поведения и обучения. Для решения этих проблем необходимы многоуровневые исследования, соединяющие изучение молекулярно-генетических процессов в нервных клетках с идентификацией места этих нейронов в динамической структуре поведения.

Другое следствие изменившегося состояния проблемной ситуации касается фундаментального эволюционного значения того, что в нервной системе морфогенез никогда не прекращается, а лишь переходит под контроль когнитивных процессов, протекающих в созревших фун-

262

кциональных системах. Две фазы онтогенеза — созревание (первич- ный системогенез) и адаптивные модификации (вторичный системогенез) функциональных систем — оказываются тесно переплетенными на уровне механизмов регуляции экспрессии генов в нервной системе. Объем и маштабы этого сходства заставляют полагать, что период между завершающими стадиями развития нервной системы и началом индивидуального обучения является зоной обширных филогенетических взаимодействий этих двух доменов. Понять их возможно, только исследуя функциональные процессы, в составе которых данные молекулярные переходы подвергались естественному отбору.

Выводы

•Память у человека способна храниться в течение многих лет. Психологические исследования показывают, что многие воспоминания

èнавыки сохраняются, даже без активного использования, в течение десятков лет.

•В основу поисков механизмов долговременной памяти была положена идея «энграммы» — сохраняющегося следа памяти в нервной системе.

•Память человека имеет две фазы — кратковременную и долговременную. В психологических экспериментах было установлено, что в течение короткого времени после приобретения память переходит из лабильной, легко нарушаемой в постоянную и устойчивую к повреждающим воздействиям. Для обозначения этого активного физиологи- ческого процесса в нервной системе был введен термин «консолидация» памяти.

•Консолидация памяти обнаружена у самых разных животных, от беспозвоночных до млекопитающих, и является общебиологическим свойством формирования долговременной памяти человека и животных.

•После обучения в областях мозга животных, связанных с соответствующим опытом, увеличивается синтез РНК и белков. Это происходит в тот же период, который в ходе психологических экспериментов был определен как критическое временное «окно» для перехода кратковременной памяти в долговременную. Блокада синтеза РНК и белков в мозге во время этого периода нарушает формирование долговременной памяти. Эти данные свидетельствуют о том, что консолидация долговременной памяти требует синтеза РНК и белка, то есть основана на механизмах активации экспрессии генов в нервной системе. Как следствие, понятие долговременной памяти трансформировалось из

263

условного обозначения относительной продолжительности явления в концепцию нейробиологического механизма.

•Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении, оказались «непосредственные ранние гены», такие, как c-fos, c-jun, zif/286, NGFI-B и другие. Продукты многих из них, хотя

èне всех, являются ядерными белками, связывающимися с ДНК и регулирующими транскрипцию других генов. Воздействие экстраклеточных сигналов на промоторы этих генов осуществляется посредством вторичных мессенджеров, а индукция их транскрипции происходит, несмотря на подведение ингибиторов синтеза белка, то есть строится на клеточных механизмах, заранее готовых для восприятия экстраклеточных стимулов.

•В число «непосредственных ранних генов», активирующихся при обучении, входят не только гены, кодирующие транскрипционные факторы. Часть из них кодирует белки, способные сразу изменять свойства обучающегося нейрона. В эту категорию, в частности, входят факторы, регулирующие рост клеток (BDNF, Narp), белки внутриклеточной сигнализации (RheB, RGS-2, Homer 1a), белки для синаптических моди-

фикаций и других структурных изменений нейрона (Arc, TPA) или регуляторов метаболизма (COX-2).

•При стимуляции нервной системы транскрипционные факторы, кодируемые «ранними» генами, инициируют «вторую волну» активации генов и синтеза белков, которая начинается через несколько часов после первоначального воздействия. При этом сами гены транскрипционных факторов, таких, как c-fos è c-jun, во время второй фазы синтеза РНК не экспрессируются. Гены, экспрессия которых находится под контролем индуцируемых транскрипционных факторов, были названы «поздними» генами» («генами позднего ответа» или «эффекторными» генами). К числу «поздних» относятся гены препроэнкефалина, S-100, нейрофиламентов, тирозингидроксилазы, N-CAM и многие другие. Таким образом, вслед за активацией «ранних» генов через некоторое время после обучения в нейронах происходит экспрессия «поздних» генов.

•Общее число генов, индуцируемых в нервной системе при обуче- нии, по некоторым оценкам может насчитывать до 500 и более генов.

•В мозге взрослых животных, находящихся в «спокойных» условиях, транскрипция большинства ранних генов находится на низком, часто не детектируемом уровне. В условиях, ведущих к процессам обу- чения, происходит быстрая активация транскрипции этих генов в обу-

264

чающихся нервных клетках. Эта активация транскрипции начинается сразу после попадания организма в ситуацию обучения.

•Паттерны распределения клеток, экспрессирующих ранние гены при обучении, имеют генерализованный характер и охватывают обширные районы мозга. Экспрессия этих генов регулируется обучением

âразные сроки постнатального развития, от рождения до взрослого возраста.

•Активация ранних генов затухает по мере потери новизны воздействия или после завершения выработки и автоматизации нового навыка.

•Двухфазный механизм регуляции транскрипции с участием двух классов («ранних» и «поздних») генов является одним из наиболее универсальных способов обеспечения процессов клеточного роста и дифференцировки в развитии.

•Основные молекулярно-генетические элементы и этапы молекулярного каскада дифференцировки клетки оказываются чрезвычайно сходными при обучении и развитии. Нейроны относятся к числу самых пластичных клеток организма, в которых процессы развития практи- чески никогда не прекращаются. Можно сказать, что на молекулярном уровне обучение выступает как непрекращающийся процесс развития нервной системы.

•Однако механизмы регуляции экспрессии генов в клетках мозга при обучении имеют одно чрезвычайно важное отличие от сходных процессов в развитии: вызовут или нет какие-либо внешние стимулы экспрессию «ранних» генов, критическим образом зависит от прошлого индивидуального опыта животного и определяется фактором субъективной новизны данного события.

•Таким образом, на системном уровне активность генов в мозге при обучении находится под когнитивным контролем, переходя из-под подчинения исключительно локальных клеточных взаимодействий под контроль более высокого порядка — общемозговых интегративных процессов в функциональных системах, составляющих индивидуальный опыт организма. При этом на молекулярно-генетическом уровне обучение продолжает процессы развития, образуя эпизоды дополнительного морфогенеза во взрослом мозге. Таким образом, две фазы онтогенеза — созревание (первичный системогенез) и адаптивные модификации (вторичный системогенез) функциональных систем — оказываются тесно переплетенными на уровне механизмов регуляции экспрессии генов в нервной системе.

265

• При анализе экспрессии генов и синаптической пластичности в клетках нервной системы при обучении необходимо учитывать, в каких функциональных системах находились эти нейроны. Нерешенным остается вопрос, приурочена ли эта экспрессия к нейронам старых систем, которые вошли в противоречие с изменившимися обстоятельствами среды, или же она отражает процессы специализации новых нейронов и формирования новых систем, обеспечивающих достижение адаптивных результатов в измененных условиях.

Цитированная литература

Рекомендуемая

1.Анохин К. В. Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. 1997, 47: 262-286 ñ.

2.Анохин К. В. Обучение и память в молекулярно-генетической перспективе // Двенадцатые Сеченовские чтения, Москва, 1996, 23-65 с.

3.Эббингауз Г. Очерк психологии. Изд. О. Богдановой. С-Петербург, 1911.

Дополнительная

1.Декарт Р. Избранные произведения. М.: ГИПЛ, 1950.

2.Ламарк. Ж-Б. Философия зоологии. Гос. изд. биологической и медицинской литературы. М-Л. 1935.

3.Лурия А. Р. Романтические эссе. М.: Педагогика-Пресс, 1996.

4.Малеева Н. Е., Иволгина Г. Л., Лимборская С. А., Анохин К. В. Анализ экспрессии протоонкогена c-fos в коре головного мозга крыс при обучении. Генетика. 1989, 25: 1119-1121.

5.Pfenning A. R., Schwartz R. and Barth A. L. A comparative genomics approach to identifying the plasticity transcriptome. BMC Neuroscience. 2007. 8: 1-18.

6.Davis H. P., Squire L. R. Protein synthesis and memory: a review. Psychol. Bull.1984, 96: 518-559.

7.Dingman,W.,Sporn,M.B. The incorporation of 8-azaguanine into rat brain RNA and its effect on mazelearning by the rat: an inquiry into the biochemical bases of memory. J. Psychiat. Res. 1961. 1, 1-14.

8.Dityatev A, Schachner M. Extracellular matrix molecules and synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci. 2003,4: 456-68.

9.Duncan, C.P. The retroactive effect of electroshock on learning. J. Comp. Physiol. Psychol., 1949, 42: 32-44.

10.Hyden H. Quantitative assay of compounds in isolated fresh nerve and glial cells from control and stimulated animals. Nature, 1959, 184: 433-435.

11.Hyden H. and Lange P. Brain cell protein synthesis specifically related to learning. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1970. 65: 898-904.

266

12.Flavell, S. W. and Greenberg M. E. Signaling Mechanisms Linking Neuronal Activity to Gene Expression and Plasticity of the Nervous System. Annu. Rev. Neurosci. 2008. 31: 563–90.

13.Flexner, J. B., Flexner, L. B.,Stellar, E. Memory in mice as affected by intracerebral puromycin. Science, 1963, 141: 57-59.

14.Frankland P. W. and Bontempi B. The organization of recent and remote memories. Nature Rev. Neurosci. 2005, 6: 119-130.

15.Glassman E. The biochemistry of learning: An evaluation of the role of RNA and protein. Annual Rev. of Biochem. 1969, 38: 605-646.

16.James, W. The Principles of Psychology. 1890, 2 vols., Holt, New York.

17.Lashley K. S. In search of the engram. In: Physiological Mechanisms in Animal Behaviour Cambridge University Press., Cambridge. 1950. 454-482.

18.McClung C. A. and Nestler E. J., Neuroplasticity Mediated by Altered Gene Expression. Neuropsychopharmacol., 2008, 33: 3–17.

19.McGaugh J. L. Memory—a Century of Consolidation. Science. 2000, 287: 248-251.

20.Muller G. and Pilzecker A. Experimentelle beitrage zur lehre vom gedachtni. Z. Psychol. Physiol. Sinnesorg. Erganzungsband. 1900, 1: 1-18.

21.Nedivi E., Hevroni D., Naot D., et al. Numerous candidate plasticity-related genes revealed by differential cDNA cloning. Nature. 1993, 363: 718-721.

22.Ramon y Cajal S. Archives of Anatomy and Physiology. 1893, 19: 428-465.

23.Rose S. P. R. Cell-adhesion molecules, glucocorticoids and long-term- memory formation. Trends in Neurosci. 1995, 18: 502-506.

24.Semon R. Die Mneme. 1904/1921. London, George Allen & Unwin.

25.Tanzi E. I fatti e le induzioni nell’ odierna istologia del sistema nervosa. Riv. Sper. Freiat. Med. Leg. Alien. Ment. 1893, 19: 419-507.

26.Tischmeyer W., Kaczmarek L., Strauss R., et al. Accumulation of c-fos mRNA in rat hippocampus after acquisition of a brightness discrimination. Behav. Neural Biol. 1990, 54: 165-171.

27.Tiunova A. A, Anokhin K. V. and Rose S. P. R. Two critical periods of protein and glycoprotein synthesis in memory consolidation for visual categorization learning in chicks. Learning and Memory. 1998, 4: 401-410.

28.Welzl H and Stork O. Cell Adhesion Molecules: Key Players in Memory Consolidation? News Physiol Sci , 2003, 18: 147-150.

29.Wang H., Hu Y. and Tsien J. Z. Molecular and systems mechanisms of memory consolidation and storage. Progr. in Neurobiol. 2006, 79: 123–135.

267

Глава 10. НАНОНЕЙРОНИКА ПАМЯТИ

Задача «нейронауки» в целом — объединение отдельных областей биологии, связанных с изучением функций нервной системы. Предлагается расширить понятийный аппарат нейронауки и ввести два новых термина — «нейроника» и «нанонейроника». «Нейроника» как самостоятельный раздел нейронауки фокусирует свое внимание на активности нейрона, объясняемой с привлечением макропараметров клетки. «Нанонейроника» как подраздел «нейроники» вводит дополнительное ограничение на размеры исследуемых в нейроне органелл и нацелена на изучение нанообъектов, определяющих функции клетки на молекулярном и субмолекулярном уровнях. В работе анализируется роль таких нанообъектов нейрона, как «шипик дендрита», «пресинаптический бутон», «микротрубочки» и «ранние и поздние гены» в механизмах синапти- ческой пластичности.

Введение термина нейроника обусловлено стремлением ограничить область исследований, охваченных нейронаукой, направив внимание на механизмы работы нервной клетки. Если нейронаука призвана объединить отдельные области биологии, связанные с функциями нервной системы, такие, как нейрофизиология, нейрогенетика, нейроанатомия, нейрохимия, нейроэндокринология, нейропсихология, то нейроника фокусирует свое внимание на нейроне, привлекая по мере необходимости данные из других дисциплин. Нанонейроника вводит дополнительное ограничение на размеры исследуемых в нейроне органелл. Именно размеры органелл определяют объекты, подлежащие исследованию в нанонейронике. Нейрон является элементом передачи, преобразования и хранения информации, поэтому важнейшее значение в нем имеют те нанообъекты, которые определяют эти функции нейрона. Операции, которые осуществляют эти нанообъекты, лежат на молекулярном и субмолекулярном уровне. К нанообъектам принадлежат пресинаптический бутон и шипик дендрита (Bailey and Chen, 1991).

Пресинаптический бутон представляет собой расширяющееся окон- чание аксона при достижении им целевой клетки, но отделенное от нее небольшим промежутком — синаптической щелью. В пресинаптической бутоне происходит «упаковка» медиатора в пресинаптические пузырьки — везикулы, окруженные мембраной. Синаптические пузырьки размещаются в ячейках пресинаптической везикулярной решетки, образованных протеиновыми уплотнениями, соединеными белковыми мос-

268

тиками, которые представляют собой активные зоны. При поступлении по аксону к пресинаптическому бутону нервного импульса происходит вход ионов кальция, которые посредством белка калмодулина активируют один из пузырьков, находящихся в активной зоне. Для активации синаптического пузырька достаточно всего четырех ионов кальция. Активированный пузырек образует канал в пресинаптической мембране, и содержимое везикулы поступает в синаптическую щель, воздействуя на рецепторы постсинаптической клетки. Каждая активная зона может активировать всего один пузырек. Поэтому общее число квантов медиатора, освобожденных приходом одного нервного импульса, определяется числом активных зон данного пресинаптического бутона. Таким образом, выход медиатора в синаптическую щель и его действие на рецепторы постсинаптической клетки в конечном итоге определяются входом ионов кальция в пресинаптический бутон. Это происходит в результате открытия потенциал-зависимых кальциевых каналов под влиянием деполяризации, вызванной приходом потенциала действия, связанного с открытием натриевых каналов. Присоединение к кальциевым каналам ионов тяжелых металлов «запирает» кальциевые каналы и прерывает мобилизацию пресинаптических пузырьков.

Дендриты нейрона являются основным аппаратом получения информации через шипики дендритов. Шипик дендрита представляет собой «грушеобразное выпячивание», оканчивающееся плотно упакованными рецепторами, на которые воздействует медиатор, высвобождающийся из синаптического бутона в синаптическую щель (Николлс и др., 2003). Молекулы рецептора могут находиться в открытом состоянии, присоединяя молекулу медиатора, в закрытом, но активном состоянии, готовые реагировать на приход молекулы медиатора, или в «спящем» состоянии, не реагируя на действие медиатора. Активное состояние определяется фосфорилированием молекулы рецептора под влиянием протеинкиназ. «Спящее» состояние связано с дефосфорилированием под влиянием фосфатаз. Баланс «спящих» и активных молекул рецепторного белка определяет эффективность постсинаптического механизма и пластичность синаптической передачи.

Примером взаимодействия пресинаптического бутона и постсинаптического шипика служит контакт нейрона-детектора с командным нейроном оборонительного поведения моллюска (Sokolov, 1991). Введение красителей разного цвета в нейрон-детектор и командный нейрон соответственно позволили идентифицировать синапс на дендрите командного нейрона (Arakelov et al., 1991, Marakujeva et al, 1992) (рис. 10.1).

269