МОЗГ и ПАМЯТЬ К В Анохин Отдел нейронаук

МОЗГ и ПАМЯТЬ К. В. Анохин Отдел нейронаук НИЦ «Курчатовский институт» Лаборатория нейробиологии памяти Институт нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАМН

К. В. Анохин "Жизнь - это не те дни, что прожиты, а те, что запомнены. " Габриель Гарсиа Маркес

Мы – это наша память 1. Память, это функция мозга; 2. Там, где наш мозг, там и наша память; Как наш мозг делает это? Операция завершилась успехом: впоследствии селезень, со своим новым человеческим мозгом выбился в вожаки шикарной стаи. Ирвинг же был изгнан из семьи, отвергнут друзьями и, в конце концов, осенью бесцельно поплелся на юг.

Cистемы памяти в мозге человека зрительная ассоциативная кора (движение, местоположение) Планы и цели лобная кора Зрительный вход События и Привычки факты и навыки гиппокамп базальные ганглии и мозжечок первичная зрительная кора зрительная ассоциативная кора (форма, цвет) Эмоциональная память миндалина

Основные проблемы в изучении памяти Формирование Хранение Воспроизведение Три основных вопроса о памяти: v Как память формируется в мозге? v Как память хранится в мозге на протяжение многих лет? v Как память избирательно извлекается, когда это необходимо?

История науки о памяти Наука о памяти Философия Психология Экспериментальная психология памяти Психопатология памяти Нейронаука Биология Неврология памяти "Наука о памяти… возникла, чтобы секуляризовать душу эту неподатливую сердцевину Западной мысли и практики. " Г. Эббингауз Ian Hacking "Rewriting the Soul" (1995) Т. Рибо С. С. Корсаков

Биология памяти Молекулярные основы жизни Молекулярные основы памяти ДНК

Молекулярная нейробиология памяти

Биологические механизмы памяти: от психологии к молекулярной биологии 1885 - Еbbinghaus: В хранении памяти существуют две фазы; 1900 - Mueller & Pilzecker: Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации"; 1901 - Mc. Dougall: Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах; 1949 - Duncan: Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей; 1962 - Нyden: В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка; 1963 - Flexner et al. : Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную памяти; Герман Эббингауз (1850 -1909)

Предпосылки для поиска генов: молекулярного замыкания условного рефлекса "Условнорефлекторное замыкание должно состоять в том, что два своеобразных химических процесса благодаря конвергенции возбуждений на одном и том же нейроне могут вступить между собой в тесные динамические взаимоотношения в молекулярных организациях цитоплазмы или ядра. ” П. К. Анохин, 1968 При замыкании нервной клеткой условных связей в ней активируются гены ВОПРОС: Какие это гены?

Вопрос к молекулярной биологии нейрона: Какие гены вовлекаются в фиксацию памяти? протоонкогены 1984 «ранние» гены 1986 обучение и память 1987 контроль обучение Н. Е. Малеева и соавт. Анализ экспрессии протоонкогена с-fos в коре головного мозга крыс при обучении. Генетика (1989) 25: 1119 -1121. W. Tischmeyer et al. Accumulation of c-fos m. RNA in rat hippocampus during acquisition of brightness discrimination. Behav. Neural Biol. (1991) 54: 165 -171.

Двухфазный механизм вовлечения «ранних» и «поздних» генов в консолидацию памяти Двухфазная экспрессия генов в клеточном каскаде с «ранними генами» Двухфазная синтез белков в мозге при консолидации памяти Две фазы вовлечения Lg-CAM в консолидацию долговременной памяти

Модель вовлечения «ранних» и «поздних» генов в консолидацию памяти

Каким образом сигналы передаются при обучении от мембраны к «ранним генам» P. K. Dash et al. Injection of c. AMPresponsive element into the nucleus of Aplysia sensory neurons blocks long-term facilitation. Nature (1990) 345: 718 -721 Х Fos The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000 Nobel Lecture: The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses

Внутриклеточные каскады сигнализации, ведущие к фиксации долговременной памяти G. R. Owen, E. A. Brenner. Mapping Molecular Memory: Navigating the Cellular Pathways of Learning Cell Mol Neurobiol (2012) П. К. Анохин. Системный анализ интегративной деятельности нейрона. Усп. физиол. наук (1974)

Молекулярная биология памяти: приложения Формирование алкогольной и лекарственной зависимости Формирование устойчивых патологических состояний (эпилепсия и др. ) G. R. Owen, E. A. Brenner. Mapping Molecular Memory: Navigating the Cellular Pathways of Learning Cell Mol Neurobiol (2012) Генетические нарушения молекулярных каскадов сигнализации при обучении, ведущие к задержкам умственного развития (синдр. Рубиншейна-Тауби и др. ) Создание новых поколений ноотропных препаратов и стимуляторов пластичности (нейродегенеративные заболевания, б-нь Альцгеймера, возрастные нарушения памяти, инсульты и др. )

Системная нейробиология памяти

Экспрессия "ранних генов" может служить для выявления следов памяти в мозге Экспрессия "ранних" генов Происходит в нейронах Быстрая (м. РНК - через минуты) Отсутствует "фоновый" уровень Наблюдается в связи с обучением Имеет системный характер Зависит от синхронизации больших групп нейронов Ведет к долговременным изменениям свойств нейронов Требуется для формирования нового опыта

Экспрессия "ранних генов" может служить для выявления следов памяти в мозге белок с-Fos м. РНК с-Fos К. В. Анохин. Генные зонды для картирования нервных сетей при обучении. "Принципы и механизмы деятельности мозга человека". Л. Наука, 1989

Трансгенные мыши с GFP-”индикаторами” экспрессии ранних генов в нейронах мозга Генетический "индикаторный" конструкт Fos-EGFP, вводимый в геном мыши Мозг контрольной мыши не экспрессирующий Fos-EGFP Отдельные нейроны, экспрессирующие Fos-EGFP в коре мозга мыши при обучении Мозг трансгенной мыши с экспрессией Fos-EGFP после обучения

Методы оптического просветления ткани мозга Принцип: замещение воды на жидкости, имеющие равные показатели оптического преломления с тканями мозга Коэффициент пропускания white light 535 nm 600 nm c d Мозг взрослой мыши до и после просветления 0. 87 0. 88 0. 94 700 nm 0. 97 790 nm 0. 97 Возможности: Ø Оптическое просветление целого мозга животного (мышь, крыса, цыпленок); Ø Возможность микроскопии на глубину до 15 -20 мм.

Метод лазерной плосколучевой оптической томографии (ЛПОТ) Siedentopf, H. & Zsigmondy, R. Annalen der Physik 10, 1– 39 (1903). Получение оптических срезов возбуждением флуоресцентной метки в плоскости фокуса образца и построение трехмерной реконструкции Высокое разрешение (до 0, 5 мкм) в объеме целого мозга образцы большого размера (до 2 см) возможность исследовать образец при разном разрешении Плоский луч лазера

Методом ЛПОТ можно визуализировать распределенные функциональные системы мозга с клеточным разрешением Оптическая томография целого мозга трансгенной мыши, экспрессирующей ген Zif-GFP после обучения GFP, ИГХ метки Цифровые срезы Оптические срезы

Первое неожиданное открытие: РЕКОНСОЛИДАЦИЯ ПАМЯТИ

Неожиданное открытие: «ранние гены» активируются в момент извлечения памяти Обучение (модель УР замирания) Извлечение памяти (условный сигнал) Экспрессия c-Fos в гиппокампе Контроль Извлечение памяти

Зачем нужна экспрессия? Трансформация памяти при ее извлечении Лозунг нашей лаборатории в 1995 г. : • Каждая реактивация памяти есть ее активная реконструкция; • Каждая реконструкция памяти сопровождается рекатегоризацией; • Вслед за каждой рекатегоризацией следует реконсолидация.

Зачем нужна экспрессия? Трансформация памяти при ее извлечении "Я настаивал на протяжении всей дискуссии в этот книге на том, что описание воспоминаний как "фиксированных и безжизненных" есть всего лишь ошибочная фантазия. Фредерик Бартлетт 1886 -1969 Воспоминание не является повторным возбуждением неисчислимых фиксированных фрагментарных следов. Оно есть всегда творческое воссоздание или конструирование, складывающееся из нашего отношения ко всей активной массе реакций и опыта прошлого. "

Реконсолидация памяти: после извлечения старая память вновь консолидируется Avoidance (%) В момент извлечения старая память может быть нарушена ингибиторами консолидации Цыплята (Литвин, Анохин, 1998) 24 часа ПАССИВНОЕ ИЗБЕГАНИЕ 24 часа Тестирование Реактивация Freezing time (%) УР ЗАМИРАНИЯ Мыши (Muravieva & Anokhin, 2005) Training 14 дней Реактивация 24 часа Тестирование 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 * * CXM R CXM+R

Механизмы реконсолидации универсальны в природе памяти Виды Модели памяти Ссылки Humans Episodic memory, motor sequence learning, fear conditioning, PTSD Pitman et al. , 2002; Miller et al. , 2004; Walker et al. , 2003 etc Rats Fear conditioning, active avoidance, instrumental learning, fear-potentiated startle, radial maze, water maze, odor conditioning, object recognition, conditioned taste aversion etc Eisenber et al. , 2003; Milekic & Alberini, 2003, Akirav & Maroun, 2006; Morris et al. , 2006, etc Mice Fear conditioning, water maze Suzuki et al. , 2004; Muravieva & Anokhin, 2006, etc Chicks (Gallus) Passive avoidance Litvin & Anokhin, 1997; Anokhin et al. , 2001 Medaka fish (Oryzias) Aversive conditioning Eisenberg et al. , 2003 Crabs (Chasmagnathus) Contextual memory Pedreira et al. , 2002; Frenkel et al. , 2005 Mollusks (Helix) Contextual memory Gainutdinova et al. , 2005 Mollusks (Lymnea) Classical conditioning, operant conditioning Sangha et al. , 2003; Kemens et al. , 2006 Mollusks (Hermissenda) Classical conditioning Child et al. , 2003 Honey bee (Apix) Olfactory conditioning Stollhoff et al. , 2005 Nematodes (C. elegance) Long-term habituation Rose & Rankin, 2006

Реконсолидация старой памяти может быть использована для ее направленной регуляции Published online 9 December 2009 | Nature | Биампакин RU 32 улучшает старую слабую память в момент напоминания REMINDER, 2 h after the "weak" training. RU 32, 0. 005 mkg/kg intraperitoneally, 5 min before the reminder. Test 24 h post-training

Второе неожиданное открытие: РЕГЕНЕРАЦИЯ ПАМЯТИ

Второе неожиданное открытие: нарушенная память сохраняет свои следы в мозге Гиппокамп Область СА 1 Область СА 3 память + Миндалина память - _ память - память + *

Возможность «регенерации» нарушенной памяти Напоминающие воздействия: 1. безусловным стимулом 2. фармакологические в-ва Восстановление памяти, нарушенной при ее формировании Восстановление происходит между 5 и 7 часами после напоминающего воздействия Восстановление зависит от синтеза белков в мозге в течение 1 часа после напоминания

ПАМЯТЬ И СОЗНАНИЕ: взгляд в будущее

Мозг и память: результаты исследований Новые данные о трех фундаментальных механизмах памяти в нервной системе: ВОПРОСЫ Результаты исследований Клинические следствия Как память формируется в нервной системе? Ранние гены «геномные триггеры» консолидации памяти • Участие обнаруженного молекулярного механизма в развитии лекарственных зависимостей и устойчивых патологических состояний нервной системы; N. E. Maleeva et al. (1989) Analysis of expression of protooncogene c-fos in the cerebral cortex of rats during learning. Genetics 25: 1119 -1121 Как память поддерживается в нервной системе долгое время? • Возможность создания «мнемотропных препаратов» - специфических регуляторов памяти с направленным действием на геномные механизмы консолидации. • Возможность регуляции памяти и патологических состояний нервной системы новыми классами соединений, влияющих на состояние хроматина и синтез ДНК; Эпигенетические и структурные модификации ДНК обучающихся нейронов К. В. Анохин и соавт. (1988) Нарушение долговременной памяти у мышей под влиянием азидотимидина. Бюлл. эксп. биол. и мед. 106: 144 -145 Как память извлекается и что с ней происходит после этого в нервной системе? • Возможность фармакологической «реверсии» следов патологического развития мозга препаратами, стирающими эпигенетический код. Извлечение памяти сопровождается заменой старого следа памяти • Возможность фармакологического стирания следов травматических эпизодов, лекарственных зависимостей и патологических состояний в моменты их извлечения процедурами реактивации; КОНСОЛИДАЦИЯ РЕАКТИВАЦИЯ РЕКОНСОЛИДАЦИЯ Litvin, O. O. & Anokhin, K. V. (1998) Mechanisms of memory reconsolidation during retrieval of memory: the effects of protein synthesis inhibition in the brain. Neurosci. Behav. Physiol. , 30, 671 -678. К. В. Анохин. «Мозг и память: результаты и перспективы исследований» • Механизм «автолитического» распада следов памяти при старении и нейродегенеративных заболеваниях.

Мозг и память: перспективы исследований Новые перспективы регуляции пластических процессов в нервной системе: ВОЗМОЖНОСТИ Исследования на животных Клинические перспективы Стимуляция памяти фрагментами белков, вовлеченных в ее формирование Потенциация слабой памяти миметиками амилоидного пептида Фармакологическая регуляция памяти на отдаленных сроках после ее образования Возможность химической регуляции памяти через часы и сутки Tiunova, A. A. , Anokhin, K. V. , Rose, S. P. R. (1996) Two critical periods of protein and glycoprotein synthesis in memory consolidation for visual categorization learning. Learning and Memory 4 (5), pp. 401 -410. • Фармакологическая регуляция памяти во сне, вслед за ее приобретением днем. Восстановление следов нарушенной или ослабленной памяти Репарация нарушенной памяти в экспериментах на животных • Создания методов терапии и лекарственных препаратов для восстановления памяти, нарушенной при нейродегенеративных заболеваниях. • Создание лекарственных пептидомиметиков, способных стимулировать ослабевающую память; • Использование лекарственных пептидомиметиков в сочетании с процедурами напоминания для восстановления старой нарушенной памяти. К. В. Анохин и др. (2011) Низкомолекулярные пептидомиметики секреторного предшественника амилоидного пептида s. APP (Патент) NUMBER OF MISTAKES 6 * 5 *** 4 CONTROL ANISOMYCIN ***** ** 3 2 1 0 -2 0 2 4 6 8 10 12 • Фармакологическая терапия постстрессорных травматических расстройств; • Возможность фармакологического улучшения слабой памяти после ее образования. TIME (hours) Е. А. Амельченко и др. (2012) В поисках забытого: восстановление памяти, нарушенной ингибиторами синтез белка у мышей. Журн. высш. нервн. деят. (в печати) К. В. Анохин. «Мозг и память: результаты и перспективы исследований» • Разработка новых методов реабилитации постинсультных пациентов и восстановления функций после повреждений нервной системы.

От «нервных коррелятов сознания» к причинному анализу клеточных основ субъективного опыта

Структура осознаваемой и неосознаваемой памяти и их переходы

Сознание - это активная память

Благодарю за внимание!