Молекулярная нейробиология Лекция 10.

Молекулярная нейробиология Лекция 10. Механизмы формирования памяти в ЦНС И. А. Гривенников Институт молекулярной генетики РАН

Типы биологической памяти: - Генетическая - Иммунологическая - Нейрологическая

Нейрологическая (психическая) память Наиболее сложная область для исследования. Неясно каким образом молекулярные свойства нейронов обеспечивают восприятие, анализ, хранение и воспроизводство информации. Приобретенные знания не передаются по наследству и новым поколениям приходится обучаться им заново.

Нейрологическая (психическая) память - Кратковременная память (сек. , мин. ) - Долговременная память (час. , дни, годы)

Нейрологическая (психическая) память - Кратковременная память - Промежуточный этап (консолидация) - Долговременная память - Воспроизведение информации

Различные уровни изучения памяти - биохимический уровень - отдельные нейроны и ганглии - различные отделы мозга (срезы мозга) - целые организмы «просто» организованные (черви, улитки, моллюски) «сложно» организованные (птицы, млекопитающие)

Совокупность изменений в ЦНС, связанных с фиксацией следа памяти, принято называть энграммой В ее образование вовлекаются сети нейронов

Слуховая Осязательная информация Зрительная Обонятельная информация информация Восприятие, переработка и хранение информации (память) Воспроизведение информации Изменения в поведении

Удивительные свойства человеческой памяти - Одни люди плохо заучивают даже один язык, другие знают десять и более; - Некоторые люди хорошо запоминают лица и имена (Наполеон, Цезарь) - Некоторые люди хорошо запоминают музыку (Глазунов, Рахманинов) - Отдельные люди запоминают комбинации шахмат (Алехин) Существуют примеры людей быстро и точно запоминающих информацию, а затем ее забывающие.

Стадии образования следов памяти 1. Кратковременная стадия. Электрические сигналы, образование нейронных сетей с реверберирующими импульсами. 2. Промежуточный этап (консолидация памяти). Переход информации от электрических сигналов к изменениям в модификациях белков, изменениям в синтезе РНК и белков. 3. Долговременная память. Хранение информации в течении длительного времени: дни, месяцы, годы (иногда до конца жизни). 4. Процесс воспроизведения следов памяти.

И. П. Ашмарин

И. П. Ашмарин

Всю ли информацию поступающую в мозг организм запоминает? Количество нейронов примерно 1010. Каждый нейрон образует до тысячи (а иногда и десятки тысяч) связей с другими нейронами. Считается, что в ЦНС происходит отбор информации. Чем это может определяться? - внутренним состоянием организма - силой импульсов - повторностью импульсов - сочетанием различных сигналов (зрительная информация может подкрепляться звуковой или обонятельной и т. д. )

Нейротрансмиттеры вовлеченные в процессы формирования памяти. Ацетилхолин Глутамат Норадреналин Серотонин Нейротрансмиттеры обладающие ингибирующим эффектом на формирование памяти. ГАМК, глицин, дофамин ? ? ?

Нейропептиды – регуляторы обучения и памяти Фрагменты адренокортикотропного гормона (4 -10) и другие меланокортины. Вазопрессин (C-Y-F-Q-N-C-P-R-Ga) РАСАР (полипептид активирующий аденилатциклазу из гипофиза) Ингибирование пептидов с помощью антител или мутации в соответствующих генах приводят к нарушению в формировании памяти

Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной генетики РАН СЕМАКС 0, 1 % всегда ясный ум, СЕМАКС 1% в любом возрасте скорая помощь 1. Повышение работоспособности, при инсульте улучшение памяти и 1. Инсульт. Лечение острого интеллектуальных способностей периода инсульта здоровых людей 2. Начальный этап 2. Снижение стрессовой нагрузки восстановительного периода 3. Профилактика и лечение после инсульта хронической усталости 3. Мигрень (в качестве 4. Недостаточность мозгового вспомогательного средства) кровообращения (начальные 4. Невралгия тройничного проявления) нерва (в качестве 5. Профилактика инсульта, вспомогательного средства) нарушений мозгового кровообращения 6. Восстановление после инсульта 7. Энцефалопатии 8. Перенесенные черепно-мозговые травмы и нейрохирургические операции 9. Постнаркозные расстройства 10. Заболевания зрительного нерва 11. Синдром дефицита внимания с гиперактивностью у детей 12. Болезнь Паркинсона, хорея Гентингтона, болезнь Альцгеймера

Среди пептидов не оказывающих выраженного эффекта на формирование памяти следует отметить: - соматостатин - бомбезин - нейротензин - холицистокинин Некоторые опиоиды, а также ангиотензин, способны подавлять определенные этапы формирования памяти

Отделы мозга, участвующие в восприятии, переработке и хранении информации в ЦНС. Хотя в настоящее время считается, что нейрологическая память не имеет строгой локализации в определенных отделах мозга (кора и некоторые подкорковые структуры), однако существуют данные свидетельствующие о центральной роли гиппокампа в процессах переключения кратковременной памяти в долговременную.

История наших представлений о возможных механизмах формирования памяти в ЦНС. - 1940 г. Лешли высказал предположение, что в основе памяти лежат химические изменения в ЦНС. - 1950 -1960 гг. Катц и Хальстед сформулировали гипотезу, согласно которой в процесс формирования памяти, вовлекаются наиболее сложно устроенные молекулы: белки и нуклеиновые кислоты - 50 -е гг. Хиден показал взаимосвязь между обучением и количеством РНК в нейронах (двигательные рефлексы) - 1987 г. Кэндел, сформулировал гипотезу о том, что для формирования долговременной памяти необходима экспрессия ряда генов, которые являются регуляторами транскрипции других генов.

Транскрипционные факторы (ТФ)- регулируют транскипцию различных генов - Конститутивно экспрессирующиеся ТФ (CREB) - Индуцибельные ТФ ( bdnf, c-fos, c-jun и др. )

Кратковременные изменения в нейронах затрагивают ионные каналы и процессы ковалентной модификации различных белков внутри нейрона (кратковременная память). Долговременные изменения в нейронах связаны с изменением экспрессии ряда генов, приводящих к долговременным изменениям в метаболизме нервных клеток, а также к росту нервных окончаний и установлению новых контактов (долговременная память).

Проблема переноса памяти (модели) 1. Планарии. Обучение на внешний раздражитель: свет + болевой раздражитель Сокращение тела. (электрошок) Разделение планарии на две части приводило к регенерации обеих частей и увеличению способности к обучению РНК «носитель» памяти (Мак. Конел, 50 -е гг ХХ века)

2. Млекопитающие (крысы). Вещества переноса памяти Модель - Боязнь темноты (удар током при заходе в темный отсек). В нормальной ситуации крысы предпочитают темный отсек. Скотофобин- пептид «носитель» памяти (Унгар, 1970 -е гг. ) Asp-Asn-Gln-Gly-Lys-Ser-Ala-Gln-Gly-Tyr-NH 2

Модели изучение памяти Плодовая мушка Drosophila

Распределение мушек в отсеках при обучении на предпочтение запаха (циклогексанол)

Разнообразные мутации, влияющие на обучение у плодовых мушек Ddc – ДОФА- декарбоксилаза Rutabaga – аденилатциклаза Amnesiac – PACAP Dunce – фосфодиэстераза

Брюхоногий моллюск Aplisia

Рефлекс «втягивания жабры» моллюска Aplisia «раздражение « сифона приводит к втягиванию Жабры Привлекательность данной модели связано с небольшим количеством нейронов отве- чающих за этот рефлекс. Нейроны имеют относительно большие размеры (100 -500 мкм) и могут быть идентифицированы с помощью микроэлектродной техники.

Механизм сенситизации у Aplisia в рефлексе «втягивания жабры» Дополнительный «вредный» стимул приложен к хвосту моллюска Кратковременные изменения в «проводимости» нейронов связаны с ковалентной модификацией (фосфорили- рованием) синаптических белков

Долговременные изменения в сенсорных нейронах приводящие к рефлексу втягивания жабры «ускоряющий» интернейрон от хвоста выбрасывает серотонин (активация серотониновых рецепторов, увеличение уровня с. АМР, активация ПКА, инактивация К- каналов, изменения в транскрипции генов). Долговременные изменения сопровождаются изменениями в экспрессии генов! Кэндел с соавт.

Модели изучения памяти у млекопитающих Безусловные, врожденные рефлексы - пищевое, половое поведение и пр. присущее определенному виду Условные, приобретенные рефлексы вырабатываются в течении жизни в ответ на стимулы внешней среды

Звук звонка не приводит к отделению слюны Выработка условного рефлекса: звук, затем предъявление пищи - слюноотделение Воспроизведение условного рефлекса: звук (без пищи) приводит к слюноотделению Классический пример условного рефлекса по И. П. Павлову

Двигательная «обучаемость» приводит к изменениям в синапти- ческих контактах между нейронами коры и клетками Пуркинье.

Долговременная потенциация в гиппокампе (LTP). При определенных стимулах синаптические ответы ряда нейронов увеличиваются и могут сохраняться повышенными в течение дней или даже недель.

Общая схема срезов гиппокампа крысы, используемых в Экспериментах по долговременной потенциации. В развитии LTP глутамат как нейротрансмиттер играет центральную роль.

Изменения в нейpонах при индукции LTP Важнейшая роль в этом процессе принадлежит функционированию глутаматных (АМРА) рецепторов

Чрезвычайно важны для этого процесса: -ПК-С, ПК-А, ТК. -Кальций-калмодулин зависимая протеинкиназа - нейротрофические факторы (BDNF)

Возможная роль протеинкиназы М Z (зетта) в процессах формирования долговременной памяти Протеинкиназа М Z (зетта) является атипичной формой протеинкиназы С и синтезируется исключительно в нейронах. Протеинкиназа М Z (зетта) не содержит регуляторного домена!!! T. Sactor, Nat. Rev. Neurosci. (2011), 12, 9 -15

Образование Протеинкиназы М зетта при долговременной потенциации (LTP). В покое м. РНК ПКМ зетта не транслируется Снятие трансляционного блока осуществ- kяется через активацию NMDAR. Для активации после трансляции необходимо ее фосфорилирование фосфатидилинозитид зависимой протеинкиназой. Кроме того ПКМ зетта после своего синтеза фосфорилирует и инактивирует PIN 1. ПК М зетта действует на Glu. R 2 и NSF Субъединицу, которая входит в состав АМРА рецепторов и NSF, приводя к перераспределению рецепторов в постсинаптическом окончании

ZIP пептидный ингибитор ПК М зетта стирает долговременную память (от 1 суток до неск. месяцев) PICK 1 протеинкиназа С связывающий белок (димер) BRAG 2 - brefeldin resistant Arf-GEF 2 protein

Некоторые данные подтверждающие важную роль РК М Z в процессах формирования долговременной памяти Enhancement of Consolidated Long-Term Memory by Overexpression of Protein Kinase Mz in the Neocortex Reut Shema et al. Science 331, 1207 -1210 (2011) Protein Kinase. M Maintains Long-Term Sensitization and Long-Term Facilitation in Aplysia Diancai Cai et al. The Journal of Neuroscience, (2011), 31(17), 6421– 6431

Нарушения памяти - Антероградная амнезия – неспособность к усвоению (хранению в доступном для извлечения виде) новой информации - Ретроградная амнезия – неспособность извлекать из памяти, ранее накопленную информацию ( может восстанавливаться) - Истерическая амнезия – полная потеря памяти, включая личную идентификацию (память о прошлых событиях обычно не восстанавливается). Однако новая информация запоминается.

ПЭТ различных отделов мозга при восприятии речи Позитронно-эмиссионная томография Чтение слов Восприятие слов Разговор словами Мышление словами Изотопы углерода, фтора, азота , кислорода

Ферменты, участвующие в ковалентных модификация ДНК и гистонов, могут принимать участие в формировании памяти ДНК-метилтрансфераз (метилирование цитозинов в Cp. G) (активация и ингибирование приводят к разным эффектам влияния на формирование определенных видов памяти. Гены: НТФМ, кальцийнейрин, РР 1, релин) Гистон-метилтрансферазы (метилирование остатков лизина) Гистонацетилазы Протеинкиназы (фосфорилирование гистонов) J. J. Day, Nat. neurosci. (2011), Neurobiol Learn Mem. (2011), Neuron. (2011)

Активация транскрипции при модификации гистонов

CREB и гистонацетилтрасфераза гистонацетилтрасфераза CBP (CREB-binding protein) и его гомолог P 300 Korzus E. Neuron (2004) нарушение СВР приводило к нарушению формирования долговременной памяти не затрагивая кратковременную