Окончательно раскрыт механизм долговременной памяти
Даже в пожилом возрасте мы сохраняем множество ярких и продолжительных воспоминаний о - иногда очень коротких - моментах нашего раннего детства. Хотя эти воспоминания, несомненно, являются частью так называемой долговременной памяти, как именно мозгу удается хранить эту подробную информацию в течение очень долгого периода времени, остается неясным. Биологи из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна теперь дают некоторые ответы.
Некоторые аспекты клеточной основы памяти уже известны. Мы знаем, что воспоминания создаются нервными клетками (нейронами) и затем хранятся в области мозга, называемой гиппокампом. Они формируются, когда повторяющаяся стимуляция нейронов укрепляет связи между ними (синапсы). Долгосрочные воспоминания требуют особенно прочных синаптических связей; они стабилизируются специфическими белками, кодируемыми так называемыми "Непосредственно ранние гены" (IEG).
IEG - это гены, которые быстро и скоротечно активируются в ответ на широкий спектр клеточных стимулов. Однако пока неизвестно, как IEG удается поддерживать долговременную память, несмотря на быстрый оборот транскриптов и белков. "Парадокс заключается в том, что для формирования долговременной памяти требуется длительное время - несколько часов - в то время как мРНК и белки, связанные с производством белка, исчезают менее чем за час", — отмечает доктор Сулагна Дас, доцент кафедры клеточной биологии и первый автор исследования.
Пытаясь пролить свет на этот процесс, Дас с коллегами исследовали долгосрочную динамику генов после стимуляции нейронов у мышей. Они разработали модель мыши, в которой все молекулы мРНК гена Arc были флуоресцентно помечены. Ген Arc - это IEG, участвующий в различных формах синаптической пластичности и играющий важную роль в превращении нашего опыта в долгосрочные воспоминания.
Команда стимулировала синапсы в нейронах гиппокампа мыши, а затем, используя методы визуализации с высоким разрешением, провела визуализацию динамики мРНК Arc в режиме реального времени в отдельных нейронах в культуре и в тканях мозга.
Неожиданно исследователи обнаружили, что одного всплеска стимуляции было достаточно, чтобы вызвать несколько циклов транскрипционной реактивации в одном и том же нейроне - циклов, в которых ген Arc, кодирующий память, производил молекулы мРНК, которые затем транслировались в белки Arc, укрепляющие синапс.
Таким образом, новые белки Arc вступают в положительную саморегулирующую обратную связь для повторного запуска транскрипции. "Некоторые из белковых молекул, произведенных в результате этого первоначального синаптического стимула, возвращаются к Arc и вновь активируют его, инициируя очередной цикл образования мРНК и производства белка, за которым следует еще несколько", — объясняет д-р Роберт Сингер, директор программы биологии РНК в колледже Альберта Эйнштейна и соавтор исследования. Эта петля обратной связи, обеспечивающая формирование долгосрочных воспоминаний, ранее была неизвестна.
Далее команда отметила, что мРНК Arc, образующиеся в результате этих последовательных циклов, преимущественно локализуются на участках, помеченных предыдущим белком Arc, образуя таким образом трансляционные "горячие точки" вдоль дендритов, формируя локальные концентраторы белка Arc. Со временем эти "узлы" поддерживаются последующими циклами синтеза, локализации и трансляции мРНК. "Эти циклы транскрипционно-трансляционного взаимодействия поддерживают экспрессию белка и обеспечивают механизм, с помощью которого кратковременное событие может поддерживать долговременную память", — резюмируют исследователи в журнале .
Доктор Сингер использует пример запоминания стихотворения. Он объясняет, что для того, чтобы запомнить стихотворение надолго, нужно для начала прочитать его несколько раз. Каждое новое прочтение можно рассматривать как периодический стимул, каждый из которых будет добавлять новые белки обратной связи в синапс - для создания и закрепления памяти. "Способность усваивать новую информацию и хранить ее в течение длительных периодов времени - одна из самых замечательных особенностей мозга", — сказал он.
К сожалению, этот удивительный механизм иногда может давать сбои. Доктор Дас отмечает, что дефектная экспрессия гена Arc связана с нарушениями памяти у людей, а также с неврологическими расстройствами, такими как расстройства аутистического спектра, шизофрения и болезнь Альцгеймера. Лучшее понимание молекулярных функций этого гена, в частности его реакции на стимуляцию нервных клеток, может помочь выявить причины этих расстройств.