Роль синтеза белка в консолидации памяти

Первые гипотезы, связывающие запоминание информации с биохимическими изменениями в нервной ткани, родились на основе широко известных в 60-е гг. опытов Х. Хидена, которые показали, что образование следов памяти сопровождается изменениями свойств РНК и белка в нейронах. Выяснилось, что раздражение нервной клетки увеличивает в ней содержание РНК и оставляет длительные биохимические следы, сообщающие клетке способность возбуждаться в ответ на повторные действия одних и тех же раздражителей. Таким образом, было установлено, что РНК играет важную роль в механизмах формирования и сохранения следов памяти. Х. Хиден предположил, что под воздействием поступающих к нейронам импульсов происходит перегруппировка оснований в молекулах РНК.

Однако в более поздних работах было показано, что в консолидации энграмм памяти ведущую роль играет ДНК, которая может служить хранилищем не только генетической, но и приобретенной информации, а РНК обеспечивает передачу специфического информационного кода. Высказывалось даже предположение, что неспособность зрелых нейронов делиться имеет своей целью предотвратить разрушение приобретенной информации, хранящейся в ДНК нейрона. Изменения в молекулах ДНК и РНК, возникающие в процессе запоминания информации, отражаются на структуре синтезируемых молекул белка. В результате эти молекулы белка становятся чувствительными к специфическим параметрам поступающего возбуждения, т.е. они узнают афферентный поток импульсов. Доказательством участия специфических белков нейрона в формировании следов памяти является активация их синтеза в процессе обучения и возникновение расстройств памяти при подавлении синтеза белков. Обнаружено усиление синтеза белков в нейроне, начинающееся через 1 час после начала обучения.

Гипотеза о белковой природе долговременной памяти подтверждается многими экспериментами. Так, при угнетении механизмов регуляции синтеза в нейроне специфических белков, выработанные простые условные рефлексы сохраняются лишь в течение нескольких минут, реже нескольких десятков минут. По истечении этого времени в проявлении этих условных рефлексов наблюдаются существенные нарушения, свидетельствующие о подавлении процессов сохранения приобретенных рефлексов. Обнаружено, что при обучении и запоминании информации в нейронах мозга синтезируются специфические пептиды и высокомолекулярные белки.

Э. Глассман предложил двухфазную модель синтеза белка в качестве основы долговременной памяти, что получило подтверждение в работах Х. Мэттиаса с сотрудниками. Были обнаружены две волны активации синтеза белков при обучении крыс различать раздражители. Первая волна начиналась сразу же после сеанса обучения, а вторая появлялась лишь спустя 6–8 часов. Оказалось, что в первую волну активации синтезируются одни и те же 15 белков. Их синтез начинается через 15–30 минут после начала обучения и длится кратковременно: от 1 до 3 часов. Вторая волна активации синтеза белков возникает через 3 часа после начала обучения и продолжается около 5 часов. В этот период синтезируется 4 новых белка, а через 24 часа образуется еще два белка.

Было обнаружено, что в процессе обучения происходит возрастание активности (экспрессия) так называемых «ранних» и «поздних» генов. Ранние гены (c-fos, c-jun) обусловливают синтез регуляторных белков, которые в свою очередь вызывают экспрессию поздних генов. Поздние гены индуцируют вторую фазу активации синтеза РНК и белков, что приводит к росту и изменению синаптических связей в мозговых структурах. Экспрессия ранних генов возникает на самых первых ступенях обучения и исчезает с упрочнением навыка. Чем труднее идет обучение, тем сильнее проявляется экспрессия ранних генов.

Э. Кэндел выдвинул гипотезу каскада молекулярных реакций при обучении, которая предполагает три уровня памяти. Согласно этой гипотезе, кратковременная память обусловлена модификацией молекул белков, не достигших состояния возбуждения. Промежуточная память, продолжающаяся несколько часов, обусловлена фосфорилированием белков. Долговременная память, длящаяся более чем один день, обеспечивается экспрессией генов. Предполагается, что ранние гены инициируют синтез белков, которые сохраняют информацию в памяти в течение нескольких дней. Ранние гены включают экспрессию поздних генов, обеспечивающих формирование механизмов хранения информации на протяжении недель и месяцев.

По гипотезе Н.А. Тушмаловой, генетическая (врожденная) информация хранится в стабильной высокомолекулярной ядерной ДНК. Кодирование же приобретенной информации выполняется тоже находящейся в ядре изменяемой низкомолекулярной сателлитной (сопутствующей, зависимой) ДНК, которая непрочно связана с белком. Для сателлитной ДНК характерно высокое содержание групп СН₃ (метильных групп), число которых особенно возрастает при обучении.

Происходящие в процессе обучения активация ДНК и РНК, а также синтез специфических белков в нервных клетках, приводят в конечном итоге к реорганизации синапсов. Существуют функциональная и структурная гипотезы относительно изменений в синаптических контактах под влиянием обучения. Согласно функциональной гипотезе, при обучении общее число синапсов не изменяется, но значительная часть их из пассивных становятся активно функционирующими. В соответствии со структурной гипотезой обучение вызывает увеличение размеров синапсов, разрастание шипикового аппарата на дендритах нейронов и создание новых синаптических контактов.

Обучение и запоминание информации приводит к формированию структурно-функциональных объединений нейронов и клеток нейроглии различных структур мозга, составляющих основу энграммы памяти. Многократное повторение и тренировка ускоряют и улучшают этот процесс. У людей, занятых интенсивным умственным трудом, хорошая память сохраняется даже в преклонном возрасте.

Существенная роль в формировании энграммы отводится белкам и в мало доказанной голографической гипотезе памяти (К. Прибрам), согласно которой поступающая в организм информация распределяется по всем уровням нервной системы точно также, как она распределяется по всему узору физической голограммы. Воспроизведение сохраненной прошлой информации происходит в том случае, когда представительства этой информации в различных структурах мозга активируются когерентными внешними или внутренними воздействиями.