НЕЙРОБИОЛОГИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ: НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ

НЕЙРОБИОЛОГИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ: НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Константин Анохин
"Жизнь - это не те дни, что прожиты, а те, что запомнены."
Габриель Гарсиа Маркес

"Оказалось, что память Ш. не имеет ясных границ не только в своем объеме, но и в прочности удержания следов. Опыты показали, что он с успехом - и без заметного труда - может воспроизводить любой длинный ряд слов, данных ему неделю, месяц, год, много лет назад. Некоторые из таких опытов, неизменно оканчивавшихся успехом, были проведены спустя 15-16 лет после первичного запоминания ряда и без всякого предупреждения."
А.Р.Лурия Маленькая книжка о большой памяти (1966)
Память может хранится десятилетиями
Память у мнемонистов

Память может хранится десятилетиями
Память у мнемонистов
(гипертимезия)

Память может хранится десятилетиями
Память в течение многих лет у обычных людей
Roger Brown & James Kulik. Flashbulb memories. Cognition, 5 (1977) 73-99
Фотовыспышечная память (flashbulb memory) - автоматическое кодирование в памяти неожиданных обстоятельств, имеющих для человека значительную важность и последствия.

Память может хранится десятилетиями
Память в течение 50 лет у обычных людей
Имена одноклассников
Названия улиц
H.G.Schmidt et al. (2000)
H.P. Bahrick et al. (2008)

ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет

ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
Бессмыссленные слоги для запоминания (WUX, CAZ, JEK, ZUP, RIF и т.д.)
Метод «сохранений»
1885 - Еbbinghaus:
В хранении памяти существуют две фазы;

Исходная модель:
Byrne et al., 1988
Какие гены вовлечены в формирование памяти?
? Как они активируются синаптическими сигналами?
?
Долговременная
память
Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках.
Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно, ограниченное 1-2 часами после обучения.
После его завершения память переходит в стабильную, консолидированную форму и не может быть нарушена воздействиями на нервную систему.

Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении
Н.Е.Малеева и соавт. Анализ экспрессии протоонкогена с-fos в коре головного мозга крыс при обучении. Генетика (1989) 25: 1119-1121.

Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении
1. Экспрессия c-fos наблюдается в "критическом окне" консолидации памяти
2. Экспрессия c-fos и c-jun происходит при приобретении, но не при воспроизведении выученного навыка.

Избирательная блокада экспрессии c-fos
в мозге нарушает консолидацию памяти

Последовательность каскада активации "ранних генов" в клетке при обучении

A second wave of gene expression occurs in the animal brain
several hours after learning and is required for storage of long-term memory
A. Tiunova et al. (1996) Learning & Memory
Вслед за экспрессией "ранних генов" после обучения следует активация "поздних генов

Обучение
Экспрессия
немедленных
ранних генов
Экспрессия
поздних генов
Долговременная память
Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет
"позднее" формирование долговременной памяти
6
12
0
20
40
60
80
100
↓
Сохранение следа памяти
часы
Первая волна
белкового синтеза
Вторая волна
белкового синтеза
Долговременная память
↓
3
9
↑

Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC

Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
Cytoplasm
Nucleus
PKA
PP1
Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
CREB
P
Glu
Ca2+ -induced
Ca2+release
RyR
ER
CAM
MAPK
Rsk
MAPK
CaMKIV
Ras
Raf
MEK
SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
(S133)
CBP
cAMP
AC-ATP
PKA
TCF/Elk-1
SRF
P
CK-II
rS6K
SIF
P
SIF
ERK
ERK
N e w e x p e r i e n c e

Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
S.Flawell, M.Greenberg (2008) Ann.Rev.Neurosci.

Дальнейшее развитие модели:
Эффекторные "ранние" гены
1. Часть "ранних" генов, активирующихся при обучении, кодируют эффекторные белки, обеспечиващие формирование "ранней" белок-зависимой памяти.
2. К числу таких эффекторных "ранних" генов относится Arc (Arg 3.1).
Его экспрессия происходит в первые минуты после обучения;
Экспрессия специфически связана с обучением;
Блокада экспрессии приводит к нарушению формирования долговременной памяти;
Arc кодирует синаптический белок, транспортирующийся в дендриты.

ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
Молекулярные основы памяти
ДНК
"Когда в душе возникает желание что-то вспомнить, оно заставляет [эпифизную] железу, попеременно наклоняющуюся в разные стороны, направлять "животные духи" в различные части мозга до тех пор, пока они не встретят следов, оставленных тем предметом, который душа хочет вспомнить. Эти следы - не что иное, как приобретенное свойство пор мозга, через которые раньше проходили "духи", вызванные этим предметом, открываться с большей готовностью "духам", повторно приходящим к ним. Таким образом, "духи", встречая эти поры, входят в них легче, чем в другие, и вызывают особое движение в железе, передающее душе этот предмет и указывающее ей на то, что он и есть тот самый, который она хотела вспомнить."
Р.Декарт, Страсти души (1649)

Как экспрессия генов в ядре, обеспечивает избирательную стабилизацию именно тех синапсов, которые вовлекались в обучение?
Аргументы против:
а). теоретические расчеты соотношения количества синапсов и количества генов, экспрессирующихся в нейроне.
б). экспериментальные данные о клеточных функциях "поздних" генов при обучении.
Дальнейшее развитие модели

Дальнейшее развитие модели
Гипотеза "синаптических ярлыков" (Frey & Morris, 1997)

Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона
Другие молекулярные механизмы поддержания памяти:
Аутофосфорилирование белков
Прионные белки в синапсах
Эпигенетические перестройки хроматина при обучении
Трудности данной модели:

Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
Cytoplasm
Nucleus
PKA
PP1
Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
CREB
P
Glu
Ca2+ -induced
Ca2+release
RyR
ER
CAM
MAPK
Rsk
MAPK
CaMKIV
Ras
Raf
MEK
SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
(S133)
CBP
cAMP
AC-ATP
PKA
TCF/Elk-1
SRF
P
CK-II
rS6K
SIF
P
SIF
ERK
ERK
N e w e x p e r i e n c e

Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
Cytoplasm
Nucleus
PKA
PP1
Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
CREB
P
Glu
Ca2+ -induced
Ca2+release
RyR
ER
CAM
MAPK
Rsk
MAPK
CaMKIV
Ras
Raf
MEK
SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
(S133)
CBP
cAMP
AC-ATP
PKA
TCF/Elk-1
SRF
P
CK-II
rS6K
SIF
P
SIF
ERK
ERK
N e w e x p e r i e n c e

ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет

Фредерик Бартлетт
1886-1969
Трансформация памяти при ее извлечении

Трансформация памяти при ее извлечении
Каждая реактивация памяти есть ее активная реконструкция;
Каждая реконструкция памяти сопровождается рекатегоризацией;
Вслед за каждой рекатигоризацией следует реконсолидация.
Лозунг нашей лаборатории в 1994 г.:

Что происходит с памятью
после ее извлечения?
Ничего
Дальнейшая консолидация
Модернизация старой памяти
Перезапись старой памяти

Что происходит с памятью
после ее извлечения?
Ничего
Дальнейшая консолидация
Модернизация старой памяти
Перезапись старой памяти

Что происходит с памятью
после ее извлечения?

Что происходит с памятью
после ее извлечения?

Экспериментальная проверка:
Что происходит с памятью при ее извлечении на фоне блокады процессов запоминания?

Модель обучения и формирования долговременной памяти у цыплят
МОДЕЛЬ ПАССИВНОГО ИЗБЕГАНИЯ
Однократное обучение;
Модель эпизодической памяти;
Ведет к формированию долговременной памяти;
Память чувствительна к блокаде NMDA рецепторов и синтеза белка

Эффекты блокады синтеза белка
на реактивированную память
Chicks
(Литвин, Анохин
1998)
PASSIVE
AVOIDANCE
*
Avoidance (%)
2 hours
CXM
R
CXM+R
24 hours

Chicks
(Литвин, Анохин
1997)
PASSIVE
AVOIDANCE
*
Avoidance (%)
CXM
R
CXM+R
24 hours
Nader, K., Schafe, G. E. & LeDoux, J. E. Fear memories require protein synthesis in the amygdala for reconsolidation after retrieval. Nature 406, 722–726 (2000).
Przybyslawski, J., & Sara, S. J. (1997). Reconsolidation of memory after its reactivation. Behavioural Brain Research, 84(1-2), 241–246.
Эффекты блокады синтеза белка
на реактивированную память

Эффекты блокады синтеза белка
на реактивированную память
Mice
(Muravieva & Anokhin,
2005)
Training
Freezing time (%)
CXM
R
CXM+R
FEAR
CONDITIONING
3 hours
6 hours
14 days
Chicks
(Литвин, Анохин,
1998)
PASSIVE
AVOIDANCE
*
Avoidance (%)
CXM
R
CXM+R
24 hours

Species and task showing memory reconsolidation

Различия в молекулярных механизмах консолидации и реконсолидации
Alberini, 2005

" As you know, I am working on the assumption that ... the material present in the form of memory-traces being subjected from time to time to a re-arrangement in accordance with fresh circumstances - to a re-transcription. Thus what is essentially new about my theory is the thesis that memory is present not once but several times over, that it is laid down in various species of indications."."
Freud in a letter to his friend Fliss (1897)
Ретранскрипция памяти

Консолидация памяти во сне
Seminal experimental findings:
1. Neuronal firing rates observed during waking experience recur in the hippocampus during ensuing SW and REM sleep (Pavlides and Winson 1989);
2. Blockade of protein synthesis during sleep impairs memory acquisition (Gutwein et al. 1980).

Регуляция экспрессии генов во сне
Tononi et al. (2004)

Zif/268 expression during sleep after
new experience and LTP
Ribeiro & Nicolelis (2004)

Two-stage model for the role of sleep
in memory consolidation
Ribeiro & Nicolelis (2004)

Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона
Другие молекулярные механизмы поддержания памяти:
Аутофосфорилирование белков
Прионные белки в синапсах
Эпигенетические перестройки хроматина при обучении
Синтез новой ДНК при формировании памяти
Трудности молекулярной модели памяти:

Влияние субстратных ингибиторов
ДНК-полимераз на формирование долговременной памяти у цыплят в модели вкусовой аверсии
BrdU – структурный аналог IdU –
5’-бромо-2’-дезоксиуридин
(100 мг/кг)
АМТ - 3’-амино-3’-дезокситимидин, ингибитор ДНК-полимераз широкого спектра действия (10 мг/кг)
AZT - 3’-азидо-3’-дезокситимидин, ингибитор обратной транскрипции (30 мг/кг)
*
*
#
* р<0.05, # 0.05<р<0.06, критерий χ2
Комиссарова, Анохин, 2008

Заключение:
Память в нервной системе способна сохраняться годами;
Для инициации и поддержания этого процесса необходима активация экспрессии генов и эпигенетические перестройки хроматина в нервных клетках;
Однако, этого по-видимому недостаточно;
Возможно, поддержание памяти в течение многих лет использует механизм ее регулярной реактивации в различных ситуациях (напоминания, спонтанные воспоминания, сон, неосознаваемая активация при извлечении других воспоминаний), сопровождающейся реконосолидацией памяти.
В основе реконсолидации также лежат долговременные клеточно-молекулярные процессы, которые могут отличаться от клеточно-молекулярных механизмов консолидации;
Однако возможно, что есть и другой, еще неизвестный нам, молекулярный механизм перманентного сохранения фенотипа нейрона, измененного в результате обучения.
Его стоит искать…