Понятие о кратковременной памяти

Кратковременная память (КП) представляет собой процесс затухания электрохимических потенциалов (при отсутствии или слабости неспецифической активации).

Все виды памяти обеспечиваются мозговыми процессами разной сложности, связанными с деятельностью структурно и функционально связанных систем мозга.

Путь формирования КП связан с уникальными свойствами, во-первых, ряда рецепторов глутамата, во-вторых, с одной из тирозинкиназ. Условием включения глутаматного рецептора (NMDA) является сочетание двух сигналов:

-импульсации нервных окончаний с выделением в синаптическую щель глутамата, связывающегося с рецептором;

-деполяризации постсинаптической мембраны за счет импульсов, поступающих извне к нейрону-реципиенту и ведущих к удалению иона Mg, блокирующего канал рецептора.

Далее, ионы Са, входящие через канал, активируют протеинкиназу СаМК-II. Протеинкиназа обеспечивает фосфорилирование ряда белков нейро- на-реципиента, но в тоже время происходит ее аутофосфорилирование, которое поддерживает ее активность в течение довольно значительного времени – часы, дни, – и определяет так же поддержание возбужденного состояния нейронареципиента (в том числе и потенцирование рецептора NMDA).

Группа исследователей из Университета Карнеги-Меллона впервые сумела зафиксировать изменения в нейронной структуре живого мозга пчелы, возникшие как реакция на новый стимул. Таким образом, ученым удалось просле дить работу кратковременной памяти пчелы (рисунок 2).

Эксперименты с пчелами, где в качестве раздражителей использовались новые запахи, позволяют по-новому взглянуть на уже известные факты, касающиеся функционирования кратковременной памяти. В ходе опытов, как сообщается в пресс-релизе Университета Карнеги-Меллона, изучались так называемые «клубочки» (glomeruli) – нейронные кластеры, расположенные в антеннальной доле пчелиного мозга. Для оценки активности нейронов был применен новый метод сканирования с использованием флуоресцентных красителей, разработанный профессором германского Университета Констанца Джованни Галициа (GiovanniGalizia), а также использовались новые средства обработки изображений и математического анализа данных, разработанные Фернандесом Галаном (RobertoFernándezGalán), ведущим автором этого исследования.

15

Биохимические основы долговременной памяти

В 1979 г. Эклс в соавторстве с двумя канадскими биохимиками, супругами Мак-Гир, опубликовал статью, в которой предложил называть эффекты классических быстрых медиаторов ионотропными, имея в виду, что они воздействуют на ионные каналы в синаптической мембране, а медленные эффекты– метаботропными, предполагая, что они требуют вовлечения метаболических процессов внутри постсинаптического нейрона. Как писали эти авторы

в1978 г., полная история катехоламинов не может быть рассказана, потому что наиболее важные открытия, расшифровка их эффектов на постсинаптические клетки, еще не сделаны.

Завесу неизвестности над этим вопросом приоткрыл Пол Грингард. Он показал, что медленная синаптическая передача через метаботропные рецепторы вызывает внутри нервных клеток химическую реакцию, фосфорилирование, т.е. присоединение к белкам фосфатных групп с последующим изменением формы и функции этих белков. Грингард с сотрудниками обнаружили, что связывание дофамина с рецепторами на клеточной мембране повышает в клетке содержание «вторичного посредника» – циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Это активирует фермент протеинкиназу А, которая способна фосфорилировать многие белки в нервной клетке. Среди фосфорилируемых белков находятся, в частности, мембранные белки различных ионных каналов, которые контролируют возбудимость нервной клетки и обеспечивают генерацию и передачу нервных импульсов нейроном. Поэтому дофамин и другие медиаторы, действующие через метаботропные рецепторы, способны модулировать посредством этого механизма возбудимость нервных клеток и их реакции на медиаторы, действующие через ионотропные рецепторы.

Впоследствии Грингард показал, что в клетках мозга протекают еще более сложные процессы. Медиаторы, подобные дофамину, действующие через метаботропные рецепторы, могут вызывать не только фосфорилирование, но и дефосфорилирование белков. При этом многие из их сложных эффектов внутри клетки опосредуются воздействием на регуляторный белок DARPP-32, который

всвою очередь влияет на функции многих других белков в клетке. Эти работы Грингарда позволили также понять эффекты некоторых антипсихотропных препаратов, которые, как оказалось, специфически влияют на фосфорилирование белков в различных нервных клетках.

Таким образом, исследования Грингарда раскрыли окно в новый мир внутриклеточных эффектов медиаторов, осуществляющих медленную синап-

17

тическую передачу. Они продемонстрировали, что, помимо классических эффектов, реализующихся через ионотропные рецепторы и непосредственное изменение электрических мембранных потенциалов, многие нейромедиаторы (катехоламины, серотонин и некоторые нейропептиды) оказывают влияние и на биохимические процессы в цитоплазме нейронов. Именно этими метабо-

тропными эффектами и обусловлено необычно медленное действие таких медиаторов и их длительное, модулирующее влияние на функции нервных клеток. Поэтому такие нейромедиаторы часто вовлечены не в передачу быстрых сигналов для восприятия, движения, речи, а в оркестровку сложных состояний нервной системы – эмоций, настроений, мотиваций. Одну из важнейших функций мозга, в которой задействованы механизмы медленной синаптической передачи и фосфорилирования белков, многие годы исследовал американский нейробиолог Эрик Кендел. Кендел начал изучать механизмы обучения на млекопитающих, но затем понял, что их мозг слишком сложен для расшифровки фундаментальных клеточных основ памяти. Поэтому в начале 60-х годов он поехал во Францию к выдающемуся нейробиологу чешского происхождения ЛадиславуТауку, чтобы научиться у него работать с морским зайцем (Aplysia). У этого моллюска относительно простая нервная система, состоящая примерно из 20 тыс. нервных клеток. Многие из них настолько велики, что видны невооруженным глазом и могут быть идентифицированы по положению в нервных ганглиях. При этом морской заяц имеет простые защитные реакции, которые можно использовать для исследования фундаментальных механизмов обучения.

Кендел обнаружил, что определенные стимулы усиливают защитный рефлекс втягивания жабры у аплизии. Эта измененная реакция сохраняется на протяжении часов или даже дней и поэтому служит удобной моделью для изучения механизмов памяти и обучения. Исследования лаборатории Кендела показали, что в основе такой длительной реакции лежит повышение эффективности синаптической передачи между сенсорными нейронами моллюска и двигательными нервными клетками, которые активируют мышцы для защитной реакции.

Сначала Кендел и его сотрудники исследовали модификации защитного рефлекса, сохраняющиеся на протяжении минут или часов – аналог кратковременной памяти. Они установили, что в основе этой формы пластичности лежит усиленный вход ионов кальция в клетку, который повышает выделение нейромедиатора сенсорным нейроном при каждом нервном импульсе и, следовательно, усиливает оборонительную реакцию. Эти изменения происходят за счет фосфорилирования белков определенных ионных каналов по механизму, описанному Грингардом.

18

Более сильные и продолжительные стимулы формируют у моллюска разновидности долговременной памяти, которая может длиться дни и даже недели. Эти стимулы увеличивают содержание в клетке цАМФ и активируют протеинкиназу А. Далее такие сигналы через фосфорилирование определенных белков, так называемых транскрипционных факторов, достигают ядра нервной клетки, где меняют активность ряда генов. В результате синтез некоторых из белков заметно увеличивается, а других уменьшается. Многие из этих генов кодируют белки, участвующие в построении и функции синапсов. Благодаря кас-

каду молекулярных реакций изменяются функции и форма синапсов нейрона,

что ведет к долговременным изменениям синаптической эффективности, лежащей в основе длительных модификаций защитного рефлекса у аплизии.

Таким образом, в отличие от кратковременной памяти, требующей

фосфорилирования уже присутствующих в клетке белков, долговременная память основывается на экспрессии генов и синтезе новых белков. Значит,

если заблокировать синтез белков в нервной системе, исчезает долговременная память, а кратковременная остается неповрежденной. Замечательная особенность этой цепи клеточных процессов состоит в том, что фундаментальные ее звенья и компоненты чрезвычайно схожи при обучении у моллюсков и у млекопитающих, оставаясь, по-видимому, неизменными на протяжении многих миллионов лет эволюции нервной системы. Это позволило Кенделу, начиная с 90-х годов, перенести значительную часть обнаруженных им на морском моллюске закономерностей на модели сложного обучения у мышей. Используя технологию гомологических рекомбинаций, позволяющую удалять у этих животных отдельные гены, Кендел и его сотрудники показали, что основные компоненты молекулярного каскада формирования памяти, описанные ими для аплизии, необходимы и при консолидации памяти у млекопитающих.

Таким образом, в противоположность кратковременной памяти, для дол-

говременной памяти требуется формирование новых протеинов. Если син-

тез новых протеинов предотвращается, то это приводит к блокаде долговременной памяти, но не кратковременной.

Ввиду того, что процессы памяти тесно связаны и с модификацией синаптических процессов, химические передатчики нервного возбуждения, вероятно, играют здесь принципиальную роль.

Полученные результаты свидетельствуют о большой значимости основных медиаторов (ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин, ГАМК) в процессах памяти и обучения, хотя конкретные формы участия каждого медиатора, по-видимому, зависят от того, какой именно тип информации запоминается.

19

Так, хотя известно, что способность животных к обучению, в общем, положительно коррелирует с уровнем ацетилхолина и отрицательно с активностью холинэстеразы в мозге, тем не менее, выработка одних навыков сопровождается активацией, а других – снижением активности этого фермента. В большинстве случаев, однако, ацетилхолин способствует выработке условных реакций. Показано, что снижение содержания ацетилхолина в мозге ингибиторами холинацетилазы нарушает обучение, а его повышение ускоряет выработку оборонительных навыков. В ряде исследований показано, что вещества, нарушающие обмен ацетилхолина, вызывают амнезию, а фармакологическая активация ацетилхолиновых рецепторов облегчает и ускоряет обучение и стимулирует извлечение следа из памяти.

Важная роль в регуляции процессов памяти принадлежит системе биогенных аминов мозга (норадреналину и серотонину). В детальных исследованиях Е.А. Громовой было показано, что при выработке условных реакций с отрицательным (болевым) подкреплением происходит активация норадренергической системы, а при обучении с положительным (пищевым) подкреплением содержание норадреналина в мозге и скорость его метаболизма снижаются.

Серотонин, напротив, облегчает выработку и хранение навыков, основанных на положительном подкреплении, и отрицательно влияет на формирование оборонительных реакций. По существующим представлениям норадренергическая и серотонинергическая системы являются в значительной степени антагонистами в отношении процессов памяти, и способность к выработке тех или иных навыков зависит не столько от абсолютного уровня содержания или метаболизма того или иного медиатора, сколько от соотношения активностей этих систем. Так, нарушения, вызванные увеличением содержания серотонина, могут быть компенсированы параллельной активацией норадренергической системы и наоборот.

По мнению Е.А. Громовой, существует реципрокностъ серотонина и норадреналина в регуляции консолидации следов памяти.

Механизм их действия заключается в свойствах этих медиаторов пролонгировать многократную циркуляцию возбуждения в нейронных системах, связанных соответственно с положительным и отрицательным восприятием информации, что является необходимым для перехода нейродинамической фазы фиксации следа в фазу структурно-химических изменений.

Сведения, касающиеся участия дофамина в регуляции процессов памяти, неоднозначны. По некоторым данным, он, как и норадреналин, может стимулировать выработку условных реакций с отрицательным подкреплением. В рабо-

20

тах Г. Маттиеса было показано, что дофамин и его агонисты при инъекции в гиппокамп ускоряют выработку условной реакции в лабиринте с болевым подкреплением. Им же было показано, что этот медиатор стимулирует включение лейцина и фукозы в белки гиппокампальных нейронов, а также снижает фосфорилирование белка В-50 и усиливает фосфорилирование фосфоинозитолдифосфата в клетках гиппокампа. Учитывая сказанное, есть основания считать, что дофамин участвует в регуляции синаптических процессов, связанных с фиксацией следов памяти.

Роль других медиаторов в регуляции процессов памяти изучена в меньшей степени. Из числа достаточно надежно установленных фактов можно указать на роль глутаминовой кислоты, о которой было сказано в связи с гипотезой Линча и Бодри. В последние годы большое значение придается ГАМК-ергическим механизмам в процессах памяти. ГАМК и ее аналоги существенно улучшают обучение, ускоряя образование энграммы памяти, а также улучшают воспроизведение хранящейся информации. Это используется, в частности, в клинике. Для улучшения ряда интеллектуальных процессов используется аналог ГАМК-ноотропил.

Таким образом, в процессе формирования памяти в нейроне происходит определенная последовательность биохимических процессов: от изменения проницаемости наружных мембран, внутриклеточной концентрации ионов кальция, активации соответствующих ферментов (протеинкиназ) и фосфорилирования белков до усиления экспрессии (активации) генома нервных клеток. Возникающая активность генетического аппарата клетки нейрона позволяет усиливать синтез и-РНК и белков, часть которых, особенно специфических белков, транспортируется к определенным участкам соматической мембраны и приводит к устойчивым изменениям ее свойств. Указанные процессы в конечном итоге повышают возбудимость нейронов, облегчая узнавание и установление прочной связи между ними в ансамбле, сохраняющем память.

Первые эксперименты по биохимии памяти были проведены в конце 50-х гг. прошлого века Е.М. Крепсом и Х. Хиденом, независимо друг от друга показавшим достоверные изменения рибонуклеиновой кислоты в мозге обучающихся животных. Одной из распространенных химических теорий памяти является гипотеза Хидена о белковой природе памяти.

Было установлено, что раздражение нервной клетки увеличивает в ней содержание тРНК. Наоборот, длительное отсутствие раздражения нервной клетки ведет к снижению содержания РНК. Опыты Хидена: он подвергал животное длительному вращению, раздражая этим вестибулярные нервные узлы.

21

Когда после этого был проведен биохимический анализ нервных клеток этих узлов, оказалось, что содержание РНК в клетках значительно повышено. Сериями последующих работ различных авторов было показано, что между силой условнорефлекторного возбуждения и концентрацией РНК в коре и ряде подкорковых образований существует четкая связь. По мнению автора, информация, лежащая в основе долговременной памяти, кодируется, записывается в структуре полинуклеотидной цепи молекулы.

Разная структура импульсных потенциалов, в которых закодирована определенная сенсорная информация в афферентных нервных проводниках, приводит к разной перестройке молекулы РНК, к специфическим для каждого сигнала перемещениям нуклеотидов в их цепи. Таким образом, происходит фиксация каждого сигнала в виде специфического отпечатка в структуре молекулы РНК. Введение РНКазы внутрибрюшинно, интрацеребрально или на поверхность мозга (крыс и кроликов) вызывало исчезновение ранее выработанных условных рефлексов. В тоже время угнетение биосинтеза белка не влияет на кратковременную память, что подтверждает разные механизмы происхождения и функционирования КП и ДП. При этом ДНК считается носителем генетической, наследственной памяти; РНК – основной онтогенетической, индивидуальной памяти.

Исходя из гипотезы Хидена, можно предположить, что глиальные клетки, принимающие участие в трофическом обеспечении функций нейрона, включаются в метаболический цикл кодирования поступающих сигналов путем изменения нуклеотидного состава синтезирующих РНК. Весь набор вероятных перестановок и комбинаций нуклеотидных элементов обеспечивает возможность фиксировать в структуре молекулы РНК огромный объем информации: теоретически рассчитанный объем этой информации составляет 10–100 бит, что значительно перекрывает реальный объем человеческой памяти.

Процесс фиксации информации в нервной клетке находит отражение в синтезе белка, в молекулу которого вводится соответствующий следовой отпечаток изменений в молекуле РНК. При этом молекула белка становится чувствительной к специфическому узору импульсного потока, тем самым она как бы узнает тот афферентный сигнал, который закодирован в этом импульсном потоке. В результате происходит освобождение медиатора в соответствующем синапсе, приводящее к передаче информации с одной нервной клетки на другую в системе нейронов, ответственных за фиксацию, хранение и воспроизведение информации.

22

Так сформировалось представление о том, что в основе пластических химических изменений в синаптических структурах лежит взаимодействие медиаторов, например, ацетилхолина с рецепторными белками постсинаптической мембраны и ионами (Na, К+, Са). Динамика трансмембранных токов этих ионов делает мембрану более чувствительной к действию медиаторов. Установлено, что процесс обучения сопровождается повышением активности фермента холинэстеразы, разрушающей ацетилхолин, а вещества, подавляющие действие холинэстеразы, вызывают существенные нарушения памяти.

В дальнейшем исследователи пришли к выводу, что в консолидации энграммы участвует белковая структура – ДНК, а РНК необходимая для передачи специфического информационного кода. Эти выводы основывались на многочисленных опытах с применением блокаторов синтеза белков и РНК: рибонуклеазы, пуромицина и циклогексемида (ингибиторов трансляции), а также актиномицина Д (ингибитора транскрипции ДНК и РНК). Применение этих веществ в различные периоды после начала обучения предотвращает консолидацию следа памяти, формирование долгосрочного хранения энграммы. Уже тогда было показано, что процесс фиксации энграммы сопровождается увеличением синтеза РНК и белков и что при этом необходим нормальный уровень нейропередатчиков (в частности ацетилхолтина и дофамина). К настоящему времени установлено, что существенное значение имеют моноаминоэргические системы, а взаимодействие различных нейромедиаторных систем следует рассматривать как основу для формирования ассоциативной деятельности мозга.

Интересная гипотеза об иммунохимическом механизме формирования памяти предложена И. П. Ашмариным. Гипотеза основана на признании важной роли активной иммунной реакции в консолидации, формировании долгосрочной памяти. Суть этого представления состоит в следующем: в результате метаболических процессов на синаптических мембранах при реверберации возбуждения на стадии формирования кратковременной памяти образуются вещества, играющие роль антигена для антител, вырабатываемых в глиальных клетках. Связывание антитела с антигеном происходит при участии стимуляторов образования медиаторов или ингибитора ферментов, разрушающих, расщепляющих эти стимулирующие вещества.

Значительное место в обеспечении нейрофизиологических механизмов долговременной памяти отводится глиальным клеткам (Галамбус, А. И. Ройтбак), число которых в центральных нервных образованиях на порядок превышает число нервных клеток. Предполагается следующий механизм участия глиальных клеток в осуществлении условно-рефлекторного механизма

23