Высшая нервная деятельность осталась одной из немногих областей биологии, которая за последние тридцать лет практически не приобрела новых принципиальных теорий и гипотез. Совершенствуются и появляются новые методы исследования, подобные функциональной магниторезонансной томографии (фМРТ), электроэнцефалографии и доплеровскому картированию, позволившие уточнить функции отдельных структур и областей мозга. Но знания механизмов, лежащих в основе физиологических процессов, пока не хватает для того, чтобы нарисовать целостную картину.
То же самое относится и к памяти. Длительное время господствующая теория возникновения новых и укрепления старых нейронных цепей и сетей не была никем опровергнута, хотя частично доказана была только недавно.
На этот раз американские ученые нашли материальную основу долговременной памяти, обеспечивающую стабилизацию и усиление этих самых связей при обучении. Ими стали особые рецепторы AMPA, включающиеся в структуру синапса между нужными нейронами.
То, что за память отвечает именно синапс, было показано этой же командой специалистов под руководством Марка Мэйфорда из института имени Скриппса в августе прошлого года. Тогда они выяснили, что при запоминании в синапсе появляются новые структуры из белка, роль и происхождение которых ещё предстояло установить.
(от греческого «рукопожатие») – место контакта между двумя нейронами, или между нейроном и эффекторной клеткой, получающей сигнал. Служит для передачи нервного импульса между двумя клетками, в ходе которого сигнал может подвергаться изменению.
Термин был введен в 1897 году английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.
Типичный синапс – аксо-дендритический химический. Такой синапс состоит из двух частей: пресинаптической, образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки и постсинаптической, представленной контактирующим участком цитолеммы воспринимающей клетки (в данном случае – участком дендрита).
Между обеими частями имеется синаптическая щель, края которой укреплены межклеточными контактами. Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели называется пресинаптической мембраной. Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны называется постсинаптической мембраной.
В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, т. н. синаптические пузырьки содержащие медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения) или фермент, разрушающий этот медиатор. В постсинаптическую мембрану встроены молекулярные рецепторы к тому или иному медиатору.
При прохождении импульса по синаптической мембране повышается её проницаемость, а из синаптических пузырьков освобождается медиатор, который выходит в синаптическую щель и соединяется с молекулярными рецепторами постсинаптической мембраны, индуцируя на ней возникновение нервного импульса. Медиатор действует в течение очень короткого времени, после чего из синаптических пузырьков освобождается фермент, разрушающий медиатор в синаптической щели. Одновременно часть медиатора перемещается через постсинаптическую мембрану (прямой захват) и в обратном направлении через синаптическую мембрану (обратный захват).
Открыты два механизма высвобождения, с полным слиянием везикулы с плазмалеммой (клеточной мембраной), и так называемый «поцеловал-и-убежал» (англ. kiss-and-run), когда везикула соединяется с мембраной, и из нее в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, по нему происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.
Следствием такой структуры синапса является односторонее проведение нервного импульса. Существует так называемая синаптическая задержка – время, нужное для передачи нервного импульса. Ее длительность – 0,5 мс.
Во всех синапсах это происходит за счет медиатора, в данном случае глютамата, который высвобождается окончанием одной клетки, попадая в синаптическую щель. Через доли секунд он связывается с высокоспецифичными рецепторами на мембране следующей клетки, приводя к открытию ионных каналов и распространению возбуждения (в редких случаях – торможения).
В своей новой работе Мэйфорд и его коллеги исследовали эти структуры от зарождения до конечного местоположения.
Долговременная память у мышей вырабатывалась павловским способом с начала века. Правда, американцы не кормили своих подопечных, а оглушали 85-децибельным звуком, присовокупляя к этому «небольшой» электрический разряд в 0,75 мА. Перед этим мышей помещали в клетку другой формы, а потому она ассоциировалась у грызунов с этими неприятными процедурами. Кстати, выработка памяти, отвечающей за страх, методом кнута оказалась эффективней «пряника» Павлова – достаточно было только 4-х повторений вместо 7–8.
Изысканиям были подвергнуты специально подготовленные мыши, у которых ген рецептора к глютамату был связан с геном зеленого флюоресцирующего белка.
То есть в синапсах, где бы появился рецептор, можно наблюдать зеленое свечение.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"pic_fsize": "15563",
"picsrc": "На фотографии зеленым светятся включающиеся в синапс рецепторы к глютамату через один, два и шесть часов после тренировки. Первая фотграфия – исходное состояние. Место связи – грибовидные «шипы» на поверхности нейронов гиппокампа. Синим прокрашены ядра клеток. //sciencemag.com",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2646141_i_2"
}
Поскольку вопрос воспроизведения для животных остается спорным, и обычно нельзя сказать, вспомнило ли оно что-то или придумало заново, то после процедуры обучения ученые блокировали работу обоих генов, стабилизировав тем самым работу нейронов. Это позволило «зафиксировать» состояние нервной системы через некоторое время после обучения и относить все наблюдаемые в дальнейшем явления к последствиям тренировки страхом.
Ну а увидели специалисты то, что и предполагали. Рецепторы синтезировались во время обучения и транспортировались к определенным синапсам гиппокампа – именно к тем, которые отвечают за память, и в которых и были обнаружены эти структуры в прошлой работе.
АMPA рецепторы встраивались не абы как, а точно в «шипики», формирующие одну из стенок синапса на «принимающем» сигнал нейроне. Такие шипики известны в трех разных видах, называемых тонкими, пенькоподобными и грибовидными.
Следы привели ученых только к грибовидным, позволив теперь сделать выводы о роли этих структур.
Эти же области активировались и при повторном помещении в «клетки страха» даже без поддержки шоковым стимулом, что подтвердило их главную функцию – образование долговременной памяти.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 3,
"pic_fsize": "26884",
"picsrc": "Исчезновение упомянутых структур через некоторое время без подкрепления. Та же область в первый день, через одни сутки, двое, 4, 7 и 21. //sciencemag.com",
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2646141_i_3"
}
Ученые не предложили способа, как улучшить память или упростить запоминание, но все выявленные изменения исчезали в течение нескольких дней без соответствующего подкрепления, так что стандартную схему зубрежки и «повторение – мать учения» ещё никто не отменял.
