Нейрохимические основы памяти

КУРСОВАЯ РАБОТА



На тему:

"Нейрохимические основы памяти"




Введение



Исследование нейрохимических и молекулярных механизмов нейрологической памяти ведется в последние десятилетия с большой интенсивностью. Однако, несмотря на огромный объем экспериментального материала, постоянное совершенствование экспериментальной техники и несомненные успехи, достигнутые самыми различными исследователями, широкий круг вопросов пока остается невыясненным и попытки создания единой стройной теории, исчерпывающе и непротиворечиво объясняющей все аспекты этого сложнейшего явления, сталкиваются с существенными трудностями.

Известно, что почти все или, по крайней мере, подавляющее большинство видов животных способны, так или иначе, приспосабливаться к тем обстоятельствам, с которыми им приходится сталкиваться в течение жизни. Реакция организма животного на те же обстоятельства при их повторном проявлении часто оказывается совершенно иной, чем та, которая бывает при первом столкновении с ними. Это происходит благодаря способности живых систем к обучению, т.е. наличию у них такой специфической особенности, как память, существование которой в значительной мере определяет индивидуальность поведения каждого животного и человека, обусловленную его личным опытом.

Одной из форм биологической памяти, относительно более простой, является иммунная память, благодаря которой в организме надолго, часто на всю жизнь, сохраняется "воспоминание" о единожды попавшем в него чужеродном антигене. Другой, более сложной и эволюционно новой формой является память нейрологическая, связанная с функционированием центральной нервной системы и обусловливающая различные формы поведения животного.

При исследовании механизмов нейрологической памяти вполне естественно исходят из того, что в процессе обучения, запоминания, адаптации к какому-либо воздействию и т.д. происходят изменения в клетках ЦНСУ способные сохраняться в течение какого-то промежутка времени, длительность которого может составлять от долей секунды до всей жизни организма. Несомненно, в процессе обучения и выработки навыков происходят изменения в структуре нейронов и их синоптических окончаний. Но проблема памяти включает не только вопрос, какие изменения происходят в синапсах, но и понимание того, как организована память в системе целого мозга. Где происходит фиксация следа памяти? Существует один или несколько типов памяти? Какие конкретно биохимические и физиологические механизмы ЦНС вовлекаются в процессы памяти и как они функционируют? Несмотря на большую сложность этих проблем, объединенными усилиями широкого круга исследователей в последние годы были получены первые ответы на эти вопросы.


1. Пространственно-временная организация памяти



Совокупность изменений в ЦНС, связанных с фиксацией следа памяти, принято называть энграммой, и один из главных вопросов, интересующих исследователей в этой области, заключается в том, чтобы идентифицировать и обнаружить локализацию энграммы в мозге. Как известно, мозг организован таким образом, что основные функции, связанные с восприятием внешнего мира и с двигательными реакциями на внешние воздействия, имеют представительство в определенных, довольно строго локализованных участках его коры. На этом основывалась концепция памяти, созданная в рамках классической теории условных рефлексов, где процессы выработки приобретенных реакций рассматривались как "замыкание" связи между определенными центрами коры головного мозга. При этом повреждение центра, естественно, должно нарушать запоминание, связанное с осуществлением данной функции.

Эта концепция противоречила результатам работ К. Лэшли, из которых следовало, что память широко и равномерно распределена по всем мозговым зонам. Лэшли показал, что при решении крысой лабиринтной проблемы после частичного разрушения коры головного мозга время, требуемое для восстановления выработанной реакции, пропорционально объему разрушенной коры и не зависит от локализации разрушения, за исключением, конечно, значительных повреждений в моторной зоне коры, при которых просто исчезает способность животного к передвижению в лабиринте. Результаты этих экспериментов были настолько труднообъяснимы, что сам К. Лэшли к концу жизни написал: "Иногда, рассматривая сумму данных о локализации следов памяти, я чувствую, что обучение попросту невозможно".

Несмотря на это пессимистическое заключение одного из ведущих исследователей в области проблемы памяти, в последующем было сделано немало попыток примирить обе концепции. Так, по ряду современных представлений, выработка лабиринтной реакции зависит от многих видов информации и каждый вид информации фиксируется в определенных участках мозга. Однако эти участки могут быть достаточно малы и располагаться в различных зонах коры.

Таким образом, получается, что память локализована в том смысле, что за каждый компонент поведенческой реакции отвечает вполне определенный участок мозга, и делокализована в том смысле, что целостная реакция осуществляется при взаимодействии многих участков, расположенных в различных областях мозга.

Отсутствие строгой локализации энграммы не противоречит известным сведениям о существовании определенных мозговых структур, чья функция непосредственно связана с процессами памяти. К числу таких структур в первую очередь относятся гиппокамп и миндалевидный комплекс, а также ядра средней линии таламуса. При разрушении этих структур у животных, а также при их поражении, вызванном травмой или заболеванием у людей, нарушаются процессы выработки условных навыков и запоминания информации. В работах многих исследователей, в особенности П.В.Симонова и Е.Н.Соколова, показано важное значение пластических перестроек нейронов гиппокампа в процессе привыкания к внешним воздействиям и сформулированы гипотезы, предусматривающие особую роль гиппокампа в процессах памяти. Однако анализ существующих данных показывает, что связь отдельных структур мозга с механизмами памяти заключается скорее всего не в том, что в этих структурах хранятся определенные энграммы, а в том, что в них находятся нейронные системы, регулирующие процессы запечатления, фиксации и, возможно, воспроизведения следа памяти. Современные данные скорее подтверждают предположение Б.И.Котляра о том, что процессы обучения связаны с изменением состояния целостного мозга, связанного с одновременным вовлечением многих мозговых структур.

В общем, чем сложнее структура запоминаемой информации, тем труднее локализовать ее энграмму, тем более "размытой" она оказывается. По этому поводу Н.П. Бехтерева указывает: "Несомненно, что хотя существуют зоны мозга, имеющие тесную связь с процессами памяти, данные записи физиологических показателей мозга... свидетельствуют об организации памяти по распределенному принципу. Самые разные структуры и зоны этих структур имеют отношение к памяти..." И далее: "Создается впечатление не просто о системном характере организации памяти, а о множестве систем, обеспечивающих различные виды и различные фазы памяти, имеющих общие для всех и различные для каждой из них звенья".

Таким образом, известные к настоящему времени данные свидетельствуют о том, что память, во всяком случае относительно к сложным поведенческим и психическим процессам, не может быть локализована в пространственно ограниченной группе нейронов, а представляет собой сложный процесс, касающийся организации целого мозга, выражающийся в изменениях взаимодействия большого числа нервных клеток.

По существующим представлениям, запоминание — это протекающий во времени процесс, в котором можно выделить ряд стадий. Членение на стадии в значительной мере условно, так как до сих пор не известно, действительно ли они объективно независимы или представляют собой искусственно выделенные этапы непрерывного, единого процесса. Наиболее распространено деление памяти на краткосрочную и долгосрочную. Процесс перехода первой во вторую называется консолидацией. Однако недостаточность такого деления очевидна. В самом деле, говоря о краткосрочной памяти, часто утверждают, что ее продолжительность составляет от долей секунды до десятков минут. Однако даже индивидуальный опыт каждого человека убеждает в том, что это несравнимые интервалы. Попытка воспроизвести изображение или текст через секунду или через десять минут приводит к совершенно различным результатам.

Такая неопределенность ведет к попыткам выделить промежуточные формы памяти, которые имеют названия "лабильной", "промежуточной", "оперативной" и т.д. Основанием для деления процесса памяти на временные стадии служит не только степень сохранности информации через определенные промежутки времени, но и данные биохимического и фармакологического анализа, о чем будет сказано дальше. Для понимания основных закономерностей процессов, связанных с временными характеристиками памяти, по-видимому, достаточно будет выделить три типа памяти, каждый из которых имеет свои специфические особенности:

1) минимальная кратковременная память;

2) относительно ограниченная во времени память;

3) пожизненная долговременная память.

Минимальная кратковременная память

Для обозначения очень кратковременной фазы памяти, длящейся не более секунды, существует несколько различных терминов, таких как "мгновенная", "сенсорная", "иконическая", "очень кратковременная" и др. Объем этой памяти достаточен для того, чтобы обеспечить синтез сиюминутного поступления информации от различных органов чувств, произвести быструю обработку этой информации и оценить ее важность или индифферентность для дальнейшего поведения.

Одной из основных проблем в изучении механизмов памяти является вопрос, в какой форме хранится запоминаемая информация. Что касается минимальной кратковременной памяти, то есть все основания утверждать, что эта форма памяти связана с изменениями "быстрых" функций синаптического аппарата нервных клеток. Доказательством этого утверждения является то, что она нарушается различными ингибиторами функций синапса и не изменяется под влиянием ингибиторов синтеза белка и нуклеиновых кислот. Кроме того, очевидно, что время, в течение которого функционирует КПМ, слишком мало для того, чтобы могли произойти сложные биохимические процессы, включающие синтез новых макромолекул. Можно, таким образом, утверждать, что основой этого типа памяти являются постоянно меняющиеся отношения между нейронами, выражающиеся в быстрых изменениях функционирования связывающих их синапсов.

Память, относительно ограниченная во времени

Под относительно ограниченной во времени формой памяти обычно понимают ту ее фазу, продолжительность которой составляет от нескольких секунд до нескольких часов и, в ряде случаев, нескольких суток. Предполагается, что в течение этого промежутка времени происходят процессы консолидации, приводящие к закреплению следа и перевода его в долговременную память. Та информация, которая не подверглась консолидации, стирается и исчезает из памяти.

Большая размытость временного интервала, на котором определяется ООП, а также тот очевидный факт, что объем информации, хранящийся в памяти в течение нескольких секунд или нескольких часов, может быть совершенно различным, дает основания для предположения, что эта форма памяти не является единой по своему механизму и может быть дополнительно подразделена на ряд стадий. Тем не менее результаты экспериментов, связанных с применением различных физиологических и биохимических воздействий на ООП, заставляют думать, что, по всей вероятности, в данном случае это единый, непрерывно протекающий процесс.

Из трех выделенных форм памяти ООП является наиболее интенсивно исследуемой. Это связано, во-первых, с тем, что она существует на временном интервале, значительно более доступном для эксперимента, чем доли секунды, характерные для КПМ, а, во-вторых, с тем, что в отличие от ДПП для нее известно большое количество химических и физиологических модифицирующих воздействий.

Если для КПМ вопрос о форме ее хранения решается достаточно однозначно в силу ее кратковременности, благодаря которой она не может быть связана со сложными относительно медленными биохимическими процессами, то в случае ООП проблема оказывается много сложнее. Механизмы формирования этой формы памяти могут включать чрезвычайно широкий спектр биохимических реакций, таких как освобождение в синаптических окончаниях нейропептидов, образование циклических нуклеотидов, фосфорилирование белков и некоторых липидов мембран, включение синтеза рада нейроспецифических белков и пептидов, активация протеиназ, модифицирующих белки мембран и др. По всей вероятности, формирование ООП является сложным процессом, включающим различные нейрохимические механизмы, способные взаимодействовать друг с другом. Набор этих механизмов определяет в конкретных случаях продолжительность временных фаз ООП, а также, возможно, характер запоминаемой информации. Подтверждается это тем, что в различных экспериментах функции ООП нарушаются самыми разнообразными физическими или химическими агентами, влияющими на широкий спектр биохимических реакций.

Применение перечисленных в таблице воздействий в большинстве случаев приводит к полному или частичному нарушению ООП. В экспериментальных и клинических исследованиях такие нарушения проявляются в виде амнезии, которая выражается в неспособности подопытного животного, испытуемого или пациента воспроизвести выработанный поведенческий навык или полученную информацию. Различают ретроградную и антероградную амнезии.


Таблица 1. Ингибиторы памяти



Ингибиторы

Вид памяти

Общая характеристика

Воздействие, вещество

Кратковременная память, минимальная по продолжительности, —

клм



Электрошок, коммоция, М-холинолитики, КС1, LiCl, L-пролин, L-баикаин, галанин

Промежуточная по продолжительности память ШП) и консолидация долговременной памяти

Ингибиторы энергетики нейрона, процессов, поддерживающих ионные градиенты, дезорганизаторы синап-тической передачи широкого спектра действия

Ингибиторы К-, Na-АТФазы (оубаин, этакриловая к-та, а -аминоизобутират, 2-дезоксиглюкоза, С02, гипоксия, гипотермия, некоторые нейролептики, тетурам, ципрогептадин, иммуногенные конъюгаты некоторых нейрости-муляторов с антигенами-носителями



Ингибиторы синтеза белков и РНК

Анизомицин, циклогексимид, ггуромицин, камптотецин, актиномицин D, 8-азагуанин, РНКаза



Относительно

специфические

ингибиторы

Антитела к вазопрессину, антитела к белку S-100 и некоторым другим нейроспецифическим белкам, фрагменты АКТГ4.7,4.10И др. с D-фенилаланином в 7- позиции, дезтирозил- гамма- эндорфин, окситоцин, ингибитор протеиназ—лейпептин, инъекция EDTA в некоторые участки гиппокампа, 2- амико- 5-фосфорно -валериановая кислота

Долговременн пожизненная память -ДПП

Ингибиторы, необратимо нарушающие ДЛ^, неизвестны Временное частичное подавление ДПП возможно атропином, скополамином и диизопропилфлюрофосфатом


В первом случае нарушение воспроизведения памятного следа вызывается действием агента, производящимся после предъявления запоминаемой информации. Во втором случае воздействие нарушающим память агентом производится до такого предъявления. Следует иметь в виду, что степень влияния воздействий, нарушающих ООП, на ту или иную форму амнезии может быть различной. Некоторые воздействия в большей мере влияют на ретроградную, в то время как другие — на антероградную амнезию. Кроме того, выраженность влияния различных агентов на воспроизведение запечатленного следа зависит от многих других факторов, таких как характер запоминаемой информации, время, прошедшее от запоминания до предъявления нарушающего память воздействия, или наоборот — от предъявления до запоминания и др.

Это подтверждает положение, что процесс формирования ООП является хоть и единым, но в значительной мере многокомпонентным. При этом надо иметь в виду, что на рассматриваемом временном интервале происходит процесс консолидации, т.е. формирования долговременной памяти. Поэтому во многих случаях указанные ингибиторы могут также влиять на этот процесс и препятствовать переходу запоминаемой информации из ООП в долговременную память. При последующей попытке воспроизвести выработанную реакцию, когда потребуется извлечение информации из долговременной памяти, такое нарушение консолидации будет проявляться в виде амнезии.

В качестве примера различия биохимического обеспечения кратковременной и более долговременной фаз ООП можно привести результаты экспериментов Р. Мэрка. Он обучал новорожденных цыплят отличать съедобные зерна от гальки тех же размеров. Вначале цыплята предпочитали склевывать гальку, но к концу непрерывного сеанса обучения, т.е. через 40-60 склевывали и уже безошибочно выбирали зерна. Если перед началом обучения в мозг птенцам вводили циклогексимцд, ингибирующий процесс синтеза белка, то обучение во время сеанса не нарушалось, но предотвращалось закрепление навыка, и через сутки цыплят приходилось обучать сначала. Если же точно так же интрацеребрально перед обучением цыплятам вводили ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы, влияющие на синоптические процессы в нейроне, выработка реакции различения зерен и гальки в день обучения полностью предотвращалась. Однако ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы не препятствовали формированию долговременного навыка. Через 30 мин после обучения цыплята уже предпочитали корм гальке, а через 1 ч они клевали практически уже только зерна, т.е. вели'себя точно так же, как контрольные животные, которым ничего не вводили.

■ Результаты эксперимента показывают, что подавление действия Na-, К-АТ Фазы препятствует доступу к кратковременной памяти, но не мешает процессу консолидации — формированию долговременной памяти. Ингибитор синтеза белка, наоборот, нарушает консолидацию, но не влияет на ту форму обучения, которая укладывается на временном интервале, равном нескольким минутам. Другими словами, эти процессы до известной степени независимы.

Вернемся теперь к вопросу, какие нейрохимические механизмы могут обеспечивать фиксацию и хранение энграммы в течение того периода, который полагают характерным для ООП, т.е. от нескольких секунд до нескольких суток. С нейрофизиологической точки зрения любой поведенченский акт должен обусловливаться включением определенной группы нейронов, обеспечивающих его целенаправленное протекание и координацию составляющих его элементов. Следовательно, процесс запоминания или выработки нового навыка можно рассматривать как приобретение популяцией нервных элементов особых свойств, позволяющих им в определенных условиях формировать систему, реализующую данный навык. Такие свойства могут формироваться за счет изменений в структуре тел нейронов и синаптического аппарата и выражаться в перераспределении вероятности проведения возбуждения по различным нервным путям. Другими словами, после приобретения определенного навыка вероятность передачи возбуждения в определенных сетях нейронов становится выше, чем в других сетях, в результате чего складываются "предпочтительные", т.е. наиболее вероятные ансамбли нервных клеток.

При возникновении соответствующей ситуации происходит преимущественное прохождение импульсов по предпочитаемым путям, что и обеспечивает формирование функциональной структуры, запускающей определенный тип поведения. По этим соображениям в современных исследованиях в качестве модели для изучения возможных механизмов памяти часто используют феномен так называемой пластичности нейронов. Этот феномен заключается в том, что под влиянием тех или иных факторов, в частности интенсивного возбуждения нервных клеток, происходит перестройка их пре- или постсинаптического аппарата. Такая перестройка продолжается более или менее длительное время, которое, во всяком случае, превышает длительность обычных синаптических процессов, связанных с проведением одного или серии импульсов. Функциональные изменения в синаптическом аппарате приводят к тому, что характеристики передачи возбуждения в нем становятся иными, чем они были до пластической перестройки. Соответственно, благодаря таким изменениям может модифицироваться эффективность и направленность межнейрональных связей, что и будет в значительной мере обусловливать процессы, связанные с запоминанием.

Исходя из всего сказанного, рассмотрим последовательно биохимические процессы, происходящие в нейроне в результате прихода импульсов к иннервирующим его синаптическим окончаниям, и попытаемся понять, какие из них могут быть ответственными за формирование тех пластических изменений, которые составляют основу ООП.

■ Когда нервный импульс приходит к синаптическому окончанию, происходит освобождение медиатора, который частично взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны. Остальная его часть разрушается специальным ферментом или захватывается обратно в пресинаптическую терминалы Следствием реакции медиатора с постсинаптическим аппаратом является изменение ионных потоков, протекающих через поверхность клетки. В результате происходит сдвиг мембранного потенциала и повышение концентрации ионов калия вне клетки и ионов кальция внутри нее. Сами по себе процессы, вызванные одним импульсом, чрезвычайно кратковременны, но если импульсы поступают регулярно и с достаточно высокой частотой, возникает процесс суммации, при котором определенные сдвиги в концентрации ионов могут сохраняться достаточно долго. В частности, при прохождении залпа импульсов выделяющиеся ионы калия могут в значительных количествах диффундировать к окружающим нейрон клеткам и влиять на их деятельность, что в некоторых теориях рассматривается как один из факторов, участвующих в процессах памяти.

Особенно важное значение в связи с рассматриваемым вопросом имеет повышение внутриклеточной концентрации кальция, которое может происходить как за счет вхождения этого иона в клетку извне, так и благодаря мобилизации внутриклеточных ресурсов. Дело в том, что значительное количество биохимических процессов в нервных клетках осуществляется при непременном участии ионов кальция, т.е. являются кальций-зависимыми. Последствиями таких процессов могут быть разнообразные пластические перестройки, в частности, усиление восприимчивости постсинаптической мембраны к действию медиаторов.

Одной из наиболее обоснованных концепций, рассматривающих процессы такого рода, является гипотеза Линча и Бодри. Суть гипотезы состоит в следующем. Концентрация ионов кальция вблизи постсинаптической мембраны оказывается повышенной после серии приходящих к синаптическому аппарату нервных импульсов. В результате этого в мембране постсинаптического нейрона происходит активация кальций-зависимой протеиназы — калпеина. Калпеин, в свою очередь, расщепляет один из расположенных здесь структурных белков — фодрин. При этом обнажаются чувствительные к глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокированы фодрином. Увеличение числа активных рецепторов глутамата может обусловливать состояние повышенной проводимости синапса, которое длится не менее нескольких суток.

Хотя эта гипотеза еще не может считаться окончательно доказанной, она подтверждается целым рядом экспериментов. Часть таких экспериментов основана на применении агентов, избирательно связывающих ионы кальция. Подведение этих агентов к клеткам, реагирующим на глутамат, нарушает состояние повышенной проводимости синаптического аппарата. Ингибитор протеиназ — лейпептин — в ряде случаев препятствует формированию памяти. Кроме того, при электронно-микроскопическом анализе постсинаптигческих мембран глутаминергических синапсов показано, что после прохождения нервных импульсов здесь увеличивается число малых отростков, которые, по всей вероятности, являются рецепторами глутамата. Наконец, показательно, что под влиянием ионов кальция связывание глутамата увеличивается именно в тех областях мозга, которые, судя по нейрофизиологическим данным, принимают наиболее активное участие в процессах обучения и консолидации, а именно, в коре и гиппокамие.

Участие ионов кальция в процессах, связанных с механизмами памяти, не ограничивается активацией рецептора глутамата. К числу других реакций относится активация в нервной клетке специфических элементов, осуществляющих фосфорилирование белков — протеинкиназ. Некоторые из протеинки-наз активируются ионами кальция при обязательном участии таких характерных для состава мембран соединений, как фосфоинозитиды, фосфоинозитолы и диацилглицерол, которые, как известно, образуются при прохождении нервного импульса одновременно с изменением концентрации кальция. Одна из протеинкиназ — протеинкиназа С, чья активность модифицируется ионами кальция и фосфолипидами, фосфорилирует ряд белков, содержащихся в синаптических мембранах, в том числе белок В-50. С фосфорилированием этого белка тесно связан уровень фосфорилирования фосфоинозитидов, которые, как полагают, оказывают значительное влияние на заряд и состояние ионных каналов постсинаптической мембраны и, следовательно, на степень "проторенности" синапса.

Дополнительным свидетельством значения фосфорилирования протеинкиназой С белка В-50 служат результаты экспериментов с долговременной синаптической потенциацией нейронов гип-покампа. Феномен долговременной синаптической потенциа-ции заключается в том, что после длительного высокочастотного раздражения нервной клетки ее ответ на приходящие импульсы в течение довольно продолжительного времени оказывается усиленным. Это явление в настоящее время служит одной из основных моделей нейронной пластичности, которая, как было сказано, в свою очередь используется для изучения механизмов памяти. В ряде экспериментов различных исследователей было показано, что во время долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа происходит резкая активация фосфорилирования белка В-50 протеинкиназой С.

Весьма перспективной представляется новая проблема, основанная на активации ионами кальция кальмодулин-зависи-мой протеинкиназы II. Последняя замечательна тем, что после первичной активации она способна к аутофосфори-лированию, поддерживающему далее ее активность и активность вновь синтезируемых молекул этого фермента в течение очень длительного времени. К3П II локализована в синапсах и может таким образом участвовать в механизмах длительного изменения проводимости данного синапса.

В последнее время внимание ряда исследователей привлекает возможная роль ганглиозидов в кальций-зависимых синаптических процессах. Ганглиозиды способны, в частности, активно участвовать в стимуляции как глутаматных рецепторов коры и гиппокампа. При этом необходимым условием является образование комплексов ганглиозидов с ионами кальция.

Изменение состояния синаптического аппарата при прохождении нервного импульса может влиять также еще на одну группу биохимических процессов — синтез циклических нуклеотидов. При этом может происходить как активация, так и ингибирование ферментов этой системы. Модификация деятельности циклазной системы может осуществляться путем прямого воздействия через рецептор медиатором или комедиатором на аденилат или гуанилатииклазу. Активация циклазных систем связана с увеличением концентрации ионов кальция, так как некоторые циклазы являются кальций-зависимыми ферментами. Синтезированные в результате циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ, в свою очередь, активируют некоторые протеинкиназы, оказывающие влияние на фосфорилирование ряда белков.

Изменение интенсивности фосфорилирования ряда белков, в частности белков хроматина, РНК-полимеразы и рибосом может влиять на синтез некоторых нейроспецифических белков. Наиболее исследованы два белка — белок S-100 и белок 14-3-2. Оба белка считаются нейроспецифическими, так как их содержание в головном мозге значительно превышает количество, обнаруживаемое в любом другом органе. При этом показано, что белок 14-3-2 содержится главным образом в нейронах, a S-100 — в клетках алии. Кроме того, S-100 обнаружен в синапсах, что дает основание полагать, что он участвует в формировании связей между нейронами.

Было показано, что содержание белка S-100 в нейронах гиппокампа начинает возрастать примерно через час после обучения, достигает максимума через 3-6 ч и через несколько суток возвращается к исходному уровню. Сходная динамика обнаружена и для процесса обновления белка 14-3-2, оцениваемого по скорости включения в него меченого лейцина.

Свидетельством в пользу того, что нейроспецифические белки принимают участие в процессах памяти, служат эксперименты, в которых показано, что введение антисыворотки к белку S-100 в желудочки мозга нарушает обучение крыс. Спонтанное поведение, в частности двигательная активность, при этом не изменялась. Кроме того, необходимо иметь в виду общеизвестные факты, говорящие о том, что подавление синтеза белка в мозге ведет к нарушению фазы консолидации и формирования ООП и ДПП. Таким образом, есть все основания считать, что в основе продолжительных типов ООП лежит синтез определенных нейроспецифических белков, которые могут встраиваться в синоптические мембраны.

К числу процессов, способных опосредованно влиять на обучение, относится также модификация синтеза нуклеиновых кислот. В недавнем прошлом среди исследователей было распространено представление о том, что запоминаемая информация хранится в клетках мозга в виде последовательности нуклеотидов во вновь синтезированных нуклеиновых кислотах. В связи с этим ссылались на большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при обучении происходит увеличение синтеза некоторых фракций РНК, в том числе таких, состав которых отличается от последовательности нуклеотидов, характерной для РНК необученных животных. По современным представлениям, однако, эти данные объясняются не синтезом принципиально новой РНК, последовательность нуклеотидов в которой не была закодирована в клетке, а включением, экспрессией участков генома, ответственных за описанный синтез нейроспецифических белков, связанных с обучением.

Экспрессия определенной совокупности генов лежит в основе структурно-функциональной организации любой специализированной клетки многоклеточного организма. Неудивительно, что при функциональной активации нервной системы, например во время обучения, наблюдается интенсификация процессов синтеза РНК и белков в клетках мозга. Сейчас интенсивно изучается вопрос о том, в какой мере происходящие при обучении изменения в экспрессии генов связаны с процессом фиксации и какова молекулярная природа этого процесса, включают ли эти изменения активацию транскрипции ранее "молчащих" генов или они ограничены чисто количественными сдвигами в уровне экспрессии генов.

Неизвестно, связана ли фиксация разнокачественной информации с экспрессией разных генов или существует универсальный для всех пластичных нейронов механизм "записи". Основной трудностью на пути исследования этих вопросов является слабая изученность лежащего в их основе вопроса о морфологическом и нейрофизиологическом субстрате памяти. Исследования специфической для обучения экспрессии генов на целом мозге или его крупных подразделениях неминуемо упирается в проблему "иголки в стоге сена": они затрагивают огромные популяции нервных клеток, функциональная активность которых необходима не для процесса фиксации памяти как такового, а для так называемых неспецифических атрибутов процесса обучения.

Вычленение процесса фиксации памяти из этого общего биологического контекста на уровне целого организма пока трудно осуществить. Неудивительно, что основные успехи в понимании молекулярной природы механизма "записи" информации в нервных клетках достигнуты на простых клеточных моделях обучения, связанных с использованием явлений пластичности в изолированных элементах нервной системы.

Наиболее изученной системой такого рода является моносинаптическая дуга безусловного рефлекса втягивания жабры и сифона в ответ на слабое тактильное раздражение сифона у брюхоногого моллюска аплизии. Амплитуда этого рефлекса кратковременно повышается при однократной и долговременно — при повторяющейся болевой стимуляции области головы или хвоста. В обоих случаях сенситизация связана с повышением эффективности синапсов между сенсорными нейронами сифона и мотонейронами жабры и сифона. С удлинением периода болевой стимуляции продолжительность сохранения сенситизации также постепенно увеличивается: кратковременная сенситизация "перерастает" в долговременную.

Обе формы сенситизации имеют общую морфологическую и нейрофизиологическую основу, но их молекулярные механизмы принципиально различаются. В основе кратковременной сенситизации лежит независимое от текущей экспрессии генов и обратимое повышение уровня фосфорилирования группы белков в сенсорных нейронах сифона, обусловленное кратковременной активацией аденилатциклазы, сопряженной с пресинаптическими рецепторами 5-НТ. Природа и функция большинства этих белков неизвестна, однако одним из них является белок 5-НТ-чувствительного канала К+, уменьшение проводимости которого и составляет основу механизма сенситизации. При долговременной сенситизации фосфорилирование тех же белков повышено в течение срока, соответствующего длительности самой сенситизации, причем этот эффект, как и сама сенситизация, полностью блокируется при ингибировании текущей экспресии генов в период обучения. Анализ индивидуальных, вновь синтезированных при обучении белков методом двумерного электрофореза позволил обнаружить избирательное повышение скорости синтеза нескольких белков, но их природа и функциональная роль пока неизвестны.

Одной из форм долговременного хранения информации в индивидуальных нейронах, так же как в целой центральной нервной системе, является устойчивое изменение в активности нейромедиаторных систем в ответ на адекватную синаптическую стимуляцию. При синаптической стимуляции симпатических нейронов наблюдается устойчивое и многократное повышение уровня мРНК тирозингидроксилазы и уменьшение уровня мРНК препротахикинина. Аналогично, адекватная синаптическая стимуляция приводит к устойчивому повышению уровня мРНК тирозингидроксилазы в норадренергических нейронах голубого пятна и дофаминергических нейронах черной субстанции.

Полученные при исследовании простых нейронных систем данные касаются зачаточных механизмов мнемонической функции, свойственных многим, если не всем нейронам, на разных уровнях центральной и периферической нервной системы. Их, однако, явно недостаточно для объяснения таких свойств долговременной памяти высших животных, как огромное информационное разнообразие и чрезвычайная стойкость.

Пожизненная долговременная память

Все приведенные положения, касающиеся изменения состояния некоторых белков и моделируемые, в частности, с помощью долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа, касаются лишь относительно кратковременных процессов, сопоставимых по продолжительности с ООП, но не с ДПр. Длительность всех перечисленных нейрохимических модификаций не превышает нескольких суток. В тех же случаях, когда след сохраняется на протяжении многих суток, месяцев и даже лет, происходит, по-видимому, не модификация существующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для чего необходимы устойчивые перестройки в функционировании участков генома.

Включение синтеза новых белков может осуществляться посредством того же фосфорилирования белков хроматина, РНК-полимеразы или рибосомы. Значение синтеза белков для протекания процесса консолидации и формирования долговременной памяти общепризнанно. Доказательством этого служит, во-первых, то, что эти процессы нарушаются ингибиторами белкового синтеза, а, во-вторых, что в период, следующий за обучением, когда сначала упрочиваются продолжительные формы ООП, а затем Происходит закрепление следа в ДП, наблюдается интенсификация процессов, связанных с синтезом белков. К таким процессам относится интенсивное включение лейцина и фукозы в некоторые белки, в частности в гликопротеиды. По данным Г. Маттиеса, интенсификация синтеза белка в период, последующий обучению, имеет два временных максимума: первый — через 1-1,5 ч после обучения — связан с синтезом растворимых, а второй — через 6-10 ч — с синтезом нерастворимых белков. Возможно, что на первом этапе происходит модификация белков, связанных с продолжительной формой ООП, а на втором — с ДПП.

Очевидно, однако, что просто разовым синтезом белков с новой структурой нельзя объяснить закрепление ДПП. Наиболее стабильные из известных белков имеют период полураспада, не превышающий нескольких месяцев, что явно несопоставимо с продолжительностью жизни высших животных. Поэтому для того, чтобы след мог сохраняться в ДПП в течение нескольких, а иногда многих лет, требуется одновременный запуск какой-то устойчивой системы для постоянного обновления соединений данного типа. Какие механизмы способны обеспечить функционирование систем такого рода? Прежде всего, это необратимые перестройки генного аппарата, когда в результате репрессии/экспрессии участков генома часть генов выключается, а часть включается или приводится в состояние готовности к быстрому включению. Такие процессы обеспечивают, например, дифференцировку клеток в ходе онтогенеза и в принципе могут протекать при формировании ДПП.

Перестройка регуляторной системы генома возможна на уровне ДНК посредством вырезания и транслокации участков ДНК, амплификации различных участков и ковалентной модификации нуклеотидов метилированием и деметилированием. Первые две группы процессов связаны с синтезом ДНК. Р.Касол и соавторы показали, что у золотых рыбок при внутрижелудочко-вом введении питозинарабинозы быстро, сильно и устойчиво происходит подавление включения 3Н-тимидина в ДНК мозга, но не обнаруживается сколько-нибудь заметного влияния на формирование условно-рефлекторного навыка. Авторы работы сделали из этого вывод, что синтез ДНК не является необходимым для формирования и сохранения памяти. Следует отметить, однако, что этот вывод не вполне вытекает из условий и результатов их работы. Действительно, на приводимых авторами радиоавтографах мозга золотых рыбок видно, что преобладающий вклад в общее включение введенного в мозговые желудочки меченого предшественника в ДНК мозга вносят сильно метящиеся клетки в структурах, окружающих место инъекции. В этом случае подавление суммарного включения предшественника на 95% не исключает возможности гораздо меньшего подавления синтеза ДНК в структурах, наиболее удаленных от места инъекции. Относительной сохранностью синтеза ДНК и можно объяснить успешное обучение животных и сохранность навыка.

К выводу о важной роли синтеза ДНК для формирования памяти пришли К.Райнис и соавторы, исследовавшие влияние ингибиторов на формирование и сохранность памяти у мышей. При этом 5-иод-2-дезоксиуридин ухудшал память только при введении за два часа до обучения, а гидроксиламин необратимо нарушал воспроизведение памяти даже при введении через три недели после обучения. Более того, показано, что выработка условных рефлексов пассивного избегания у мышей сопровождается повышением включения меченого предшественника в ДНК различных областей неокортекса, причем это включение не связано с делением и миграцией нервных клеток и преимущественно локализовано в околоядрышковом хроматине. Существенными недостатками этой чрезвычайно впечатляющей по совокупности результатов серии исследований можно считать использование недостаточно специфических для синтеза ДНК ингибиторов и отсутствие удовлетворительных биохимических контролей.

Несколько лет назад появилось сообщение о том, что важную роль в формировании памяти может играть процесс обратной транскрипции. Авторы этого сообщения обнаружили, что в мозге и других тканях крыс присутствует РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность. В гиппокампе крыс быстрообучающейся генетической линии эта активность существенно выше, чем у крыс медленно обучающейся линии; более того, процесс выработки пищедобывательного условного рефлекса сопровождается возрастанием этой активности в гиппокампе почти в два раза. По мнению авторов, роль обратной транскриптазы при формировании памяти может состоять в избирательной амплификации специфически активных при обучении генов.

Выработка пищевых и оборонительных условных рефлексов у крыс сопровождается резкой интенсификацией синтеза ДНК в неокортексе. Этот эффект максимально выражен непосредственно после обучения и быстро затухает в последующие часы. Индуцированный обучением синтез ДНК весьма избирателен: он затрагивает главным образом малоповторенные в геноме последовательности ДНК. К сожалению, природа и функциональная роль этих последовательностей и самого избирательного синтеза ДНК остается пока невыясненной. Не исключено, что избирательное включение меченых предшественников при обучении в определенные последовательности ДНК обусловлено процессами репарации, сопряженными с активацией транскрипции в содержащих эти последовательности участках хроматина. Известно, например, что обучение сопровождается повышением активности ДНКаз в мозге крыс.

При выработке условного рефлекса активного избегания Л.Скарони и соавторы наблюдали сходное с уже описанным повышение синтеза ДНК в мозге крыс. Однако при хронической выработке сложного пищедобывательного навыка наблюдали уменьшение синтеза ДНК в большинстве отделов мозга. Исследование уровня синтеза ДНК в клетках разного типа и различных субклеточных органеллах показало, что индуцированные обучением изменения затрагивают ядерную и митохондриальную ДНК нейронов, причем последнюю — в большей степени. В ядерной ДНК эти изменения в разной степени затрагивают разные последовательности ДНК. По-видимому, разнонаправленные изменения в общем уровне синтеза ДНК в мозге при различных типах обучения связаны с тем, что этот показатель является слишком сложной интегральной характеристикой метаболизма ДНК, складывающейся из многих локальных эффектов, каждый из которых зависит от различных протекающих в мозге процессов. Известно, например, что уровень синтеза ДНК в мозге крыс повышается при депривации парадоксального сна, а также, что он испытывает закономерные циркадные колебания, выраженность которых зависит от времени года. Существенность синтеза ДНК для формирования памяти подтверждается также тем, что оба процесса подавляются при действии электрошока.

■ Все эти данные свидетельствуют о возможном участии метаболизма ДНК в процессах формирования и хранения нейрологической памяти. К сожалению, механизмы этого участия пока остаются практически неизученными.

Энзиматическое метилирование остатков цитозина в ДНК клеток животных рассматривается как один из основных механизмов регуляции дифференциальной экспрессии генов. Для огромного количества генов обнаружена обратная корреляция между степенью метилирования остатков цитозина в области промотора и экспрессией.

Степень метилирования ДНК в различных отделах головного мозга и более тонких подразделениях каждого отдела неодинакова. Дексаметазон вызывает повышение, а ареколин — уменьшение степени метилирования ДНК в мозге. Степень метилирования ДНК в мозге крыс возрастает при старении.

При выработке сложного инструментального пищедобывательного условного рефлекса у крыс наблюдали обратимое повышение уровня метилирования ДНК в гиппокампе и неокорте ксе, а при выработке простого пищевого условного рефлекса — также и в мозжечке. Отмеченные изменения уровня метилирования затрагивают главным образом ядерную ДНК нейронов. Значение выявленных обратимых изменений в уровне метилирования ДНК мозга при обучении остается неизвестным. Представляется маловероятным, что они непосредственно связаны с регуляцией транскрипции генов, поскольку, как показали многочисленные исследования последних лет, активность генов мало зависит от общего уровня их метилирования и определяется скорее состоянием небольшого числа "критических" для транскрипции потенциально метилируемых участков в промоторной области. Сами масштабы и сроки обнаруженных сдвигов в метилировании ДНК при обучении свидетельствуют о том, что они связаны с сопоставимыми глобальными процессами синтеза ДНК и/или структурой реорганизации хроматина. В связи с этим было бы интересным выяснить возможную связь между изменением в уровне метилирования ДНК мозга и синтеза в нем метаболически лабильной ДНК. Следует отметить, однако, что вновь синтезированная в мозге крыс ДНК, индуцированная обучением, существенно не отличается от предшествовавшей ДНК по уровню метилирования. Приходится констатировать, что механизмы обратимого повышения метилирования ДНК при обучении и функциональная роль этого процесса пока остаются загадочными.

Основой долговременной памяти могут служить не только структурные изменения внутри ДНК. Существуют предположения, что устойчивое состояние, связанное с экспрессией либо депрессией определенных генов, формируется благодаря процессам, описываемым на базе, например, модифицированных моделей Жакоба и Моно. Конкретный процесс может, в частности, выглядеть следующим образом. В исходном состоянии транскриптон, ответственный за синтез данного белка, выключен определенным репрессором. В результате какого-то воздействия, например вследствие процессов, происходящих в синаптическом аппарате, происходит экспрессия транскриптона и синтез интересующего нас белка. После прекращения воздействия участок генома может снова оказаться репрессированным и синтез прекратится. Но в ряде случаев синтезируемый белок оказывается способным связывать репрессор своего оперона. Тогда возникает устойчивый цикл, который уже не прерывается после прекращения воздействия.

Такая схема объясняет, например, почему ингибиторы синтеза белка и ДНК не нарушают тех процессов, которые уже прошли консолидацию и зафиксированы в долговременной памяти. Для того чтобы прервать запущенный цикл, требуется прекратить синтез биополимеров полностью и на очень длительный срок, а это трудно совместить с жизнью животного, к тому же такие ингибиторы в настоящее время неизвестны. Если же синтез белка продолжается, хотя бы и с небольшой интенсивностью, цикл не может быть необратимо подавлен.

Первые экспериментальные указания на справедливость моделей такого типа получены при исследовании вентрального гиперстриатума во время формирования условных рефлексов пассивного избегания у цыплят. В мозге высших животных, как и в ЦНС аплизии, кратковременные и долговременные формы пластичности могут иметь общую структурную и отчасти молекулярную основу: существенным компонентом механизма длительной посттетанической потенциации в гиппокампе млекопитающих является фосфорилирование протеинкиназой С пресинаптического белка F1, который, как показало изучение первичной структуры мРНК, идентичен белку GAP-43 — важнейшему элементу процессов роста и регенерации нервных окончаний. Экспрессия гена GAP-43 очень активна в развивающемся мозге в период аксогенеза. В мозге взрослого человека ген GAP-43 наиболее активно экспрессируется в ассоциативных зонах неокортекса, гораздо ниже — в проекционных и моторных зонах, умеренно — в мозжечке, хвостатом ядре, покрышке, гиппокампе и цингулярной коре. В мозге взрослых крыс местами наиболее активной экспрессии гена GAP-43 являются гиппокамп и энторинальная кора, тогда как в неокортексе, мозжечке и стволовых структурах число экспрессирующих нейронов очень невелико. Содержащие GAP-43 аксоны образуют редкую, но распределенную по всему мозгу синаптическую сеть, которая, возможно, и является объектом реорганизации при всевозможных процессах долговременной пластичности.

Первые часы формирования долговременной памяти весьма уязвимы к действию агентов, подавляющих текущую экспрессию генов, тогда как на более поздних этапах она становится относительно устойчивой, Первичной мишенью действия ингибиторов на ранние этапы формирования памяти вряд ли может быть экспрессия поздних эффекторных генов GAP-43 или тирозингидроксилазного, поскольку повышение уровня их экспрессии обычно наблюдается на более поздних этапах. Маловероятно также, что включение различных эффекторных механизмов долговременной пластичности является прямым ответом на синаптическую активацию. Промежуточным звеном между этими процессами, объясняющими чувствительность ранних этапов формирования памяти к действию ингибиторов, является, вероятно, быстрая и обратимая активация так называемых немедленных ранних генов. Активация этих генов является наиболее ранним и быстропроходящим ответом клеточного ядра различных клеток на действие всевозможных внешних стимулов. Более поздним последствием этого процесса является активация экспрессии эффекторных генов, обеспечивающая долговременный адаптивный ответ клетки на действие внешнего стимула.

Одним из замечательных свойств немедленных ранних генов является их способность активироваться при действии самых разных внешних стимулов на клеточную мембрану. Эта способность основана на присутствии в промоторной области каждого из этих генов сложной мозаики взаимодействующих позитивных и негативных регуляторных элементов, узнаваемых разными системами вторичных посредников. В целом немедленные ранние гены кодируют несколько обширных семейств специфических белков-регуляторов транскрипции.

Способность этих белков к продуктивному взаимодействию с промоторными элементами разных эффекторных генов зависят как от индивидуальной специфичности каждого из белков, так и от их способности объединяться в гомо- и гетеродимеры. Показано, что ген c-fos опосредует индуцированную фактором роста нервов дифференцировку клеток PC 12 в неделяшиеся ацетилхолин-чувствительные клетки, сходные с симпатическими нейронами. Долговременная адаптация клеток мозга мыши к действию конвульсантов метразола и пиротоксинй включает стадию быстрой активации немедленных ранних генов. Этот эффект не имеет непосредственного отношения к судорожному действию препаратов и затрагивает обширные популяции нейронов в разных отделах мозга.

Показано также, что активация c-fos генов может быть индуктором синтеза нейротрофинов, которые способны модулировать образование отростков и новых синапсов.

При индукции долговременной посттетанической потенциации в зубчатой фасции гиппокампа высокочастотной стимуляцией волокон перфорантного тракта наблюдается быстрая активация одного из немедленных ранних генов, zif/268, кодирующего ДНК-связывающий белок с "Zn-пальцами". Эффект активации zif/268 совпадает с самой долговременной потенциацией. Специфические антагонисты глутаматных рецепторов NMDA блокируют генерацию ДПП и предшествующую ей активацию гена zif/268, но не влияют на активацию этого и других немедленных ранних генов конвульсантами. Эти и многие другие данные позволяют выстроить одну из гипотетических цепочек реакций, ведущих к формированию долговременной памяти: повторная интенсивная импульсация выключение рецепторов глутамата активация некоторых генов раннего реагирования индукция синтеза нейротрофинов -> модуляция числа синапсов и/или перестройка регу-ляторных отношений в геноме, ведущая к постоянному включению генов, кодирующих факторы "проторения" синапса.

В попытках раскрытия механизмов пожизненной долговременной нейрологической памяти полезно сопоставление ее с другими формами биологической памяти — генетической, эпигенетической и иммунологической. Первые две формы возникли на ранних этапах эволюции, задолго до нейрологической памяти, и определяли и определяют наследование структурно-функциональных особенностей организма, дифференцировку клеток в процессе онтогенеза и т.п. Существует, однако, еще одна форма памяти — иммунологическая память — филогенетически более близкая к нейрологической и, по некоторым предположениям, тесно с ней связанная. В иммунологической памяти, как и в ДПП, происходит длительная, часто пожизненная, фиксация информации о редких, даже единичных, событиях. В настоящее время доказано, что формирование иммунологической памяти не связано с образованием новых генетических последовательностей. Происходит отбор и включение только уже существующих в организме носителей определенных генов.

Сущность гипотезы об участии иммунологических механизмов в процессах ДПП сводится к следующему. При многократном прохождении импульсов через синапс усиливается синтез специфических белков, например гликопротеидов, характерных лишь для данной небольшой группы нейронов. Эти белки являются компонентами синаптических мембран и при отсутствии повторной импульсации синтезируются в количествах, достаточных только для их обновления. Если же происходит длительная многократная импульсация, синтез этих белков значительно усиливается и в результате возникающего их избытка они начинают выделяться в околосинаптическое пространство. Вышедшие белки обладают антигенными свойствами и могут взаимодействовать с определенными клонами клеток глии, которые имеют сходство с лимфоцитами и способны продуцировать соответствующие антигену антитела. Такие клетки обнаружены в мозге и показана их способность продуцировать антитела, отличные от тех, которые образуются в других тканях.

Таким образом, мозг является в какой-то мере автономной иммунной системой. Следовательно, есть основания считать, что вышедшие в межклеточное пространство белки-антигены индуцируют в клетках глии процессы, подобные тем, которые описаны для лимфоцитов — их трансформацию, размножение и способность к синтезу антител или антителоподобных веществ, специфически взаимодействующих с данными гликопротеидами мембран тех же нейронов. Связываясь с ними, они модифицируют синаптическую проводимость.

Способность к синтезу определенных антител данным клоном клеток глии может сохраняться в течение всей жизни так же, как это свойственно иммунологической памяти вообще. Столь же продолжительной оказывается модификация синапсов, что и служит в конечном счете основой. ДП„.

Преимуществом гипотезы об иммунологической природе ДПП является, во-первых, то, что она устанавливает тесное единство нейрологической памяти с близкой к ней филогенетически, но менее совершенной системой иммунологической памяти, а, во-вторых, позволяет объяснить многие факты, свидетельствующие о том, что клеткам глии принадлежат разнообразные функции, помимо трофических, защитных и изоляционных, обслуживающих метаболические процессы в нейронах, например, тот факт, что отношение числа клеток глии к числу нейронов растет по мере филогенетического совершенствования мозга.

Иммунохимическая гипотеза памяти не противоречит существующим представлениям об иммуногенезе как о защитном механизме. Прежде всего, образование антител — это процесс, происходящий не только при патологии, но и в норме для удаления компонентов организма, подлежащих на определенной стадии уничтожению. Очень существенным является также факт довольно строгой иммунообособленности мозга, так как без этого нельзя себе представить протекание строго ограниченных, локальных процессов образования антител, влияющих лишь на небольшие группы синапсов.

Таким образом, гипотеза об иммунохимических механизмах долговременной памяти имеет целый ряд преимуществ и обоснований. Однако для ее окончательного доказательства требуется, прежде всего, строгое экспериментальное подтверждение способности клеток глии вести себя подобно лимфоцитам в отношении иммунных реакций, Кроме того, пока нет прямых сведений об образовании антителоподобных факторов при консолидации, что, возможно, связано с чрезвычайной методической трудностью их выявления. Пока имеются лишь косвенные данные, указывающие на связь иммунных процессов с механизмами памяти. Согласно этим данным, введение адъюванта Фрейнда —стимулятора иммунных процессов — способно в значительной мере изменять скорость выработки различных поведенческих навыков у экспериментальных животных.



2. Информационная емкость нейрологической памяти



Все созданные до сих пор гипотезы, касающиеся вопроса о том, в каком виде хранится запоминаемая информация, можно подразделить на две основные категории. Согласно одной, основой памяти является синтез новых макромолекул, не существовавших ранее в организме, а в соответствии с другой, более обоснованной экспериментально, — субстратом памяти служит формирование устойчивых взаимодействий элементов нервной системы, при которых имеет место усиление или включение синтеза ряда соединений, не новых для данного организма. Последние, как было сказано, модифицируют работу синаптического аппарата, создавая возможности для предпочтительного проведения возбуждения в определенных нервных сетях. В этом случае основой нейрологической памяти могут быть системы, подобные тем, которые используются в ЭВМ, т.е. системы со связанными переключателями. Запоминание при этом состоит в фиксации определенного положения переключателей, образующих строго определенную систему связей, при которой прохождение сигналов будет направлено строго определенным образом. При такой аналогии каждый нейрон может быть уподоблен многопозиционному переключателю.

Возникает вопрос, обеспечивает ли такая модель достаточные возможности для хранения всей той информации, которая должна фиксироваться животным в течение его жизни. Согласно теории информации информационная емкость некоторой структуры может быть измерена в единицах информации по формуле I - log2N, где N — число возможных вариантов состояния структуры, a log2N — соответственно логарифм этого числа по основанию 2.

Определим возможную емкость нервной сети из m нейронов. Если на каждой нервной клетке расположено п синаптических окончаний, то число возможных состояний такой системы равно nm и ее информационная емкость при условии, что все состояния считаются равновероятными, составляет







Число нейронов в мозге примем равным 54 О9, а количество синаптических контактов у каждого из них примем с точностью до порядка равным I02. Если хотя бы только 10% нейронов связано с памятью, то информационная емкость такой системы составляет







Теоретический максимум информации, которая размещается в течение жизни в самой долговременной памяти, можно рассчитать, исхода из сведений о максимальной скорости ввода новой информации в мозг человека и о той доли информации, которая надолго закрепляется в ДП. Эти показатели сравнительно просто поддаются экспериментальной оценке, если пользоваться легко анализируемыми источниками информации.

Исходя из экспериментальных оценок, максимальная скорость ввода информации составляет 10-30 бит/с. В ДП закрепляется не более одного процента вводимой информации, т.е. скорость поступления информации в ДП можно принять равной 0,1-0,3 бит/с. При продолжительности жизни, равной семидесяти годам, с учетом того, что человек бодрствует две трети жизни, непрерывно поглощая при этом информацию, общее количество информации, зафиксированной в ДП, будет порядка 109 бит. Это в три раза меньше приведенной оценки для информационной емкости мозга.

Что касается КП и ООП, то их объем много меньше, чем объем ДП. Предположим, продолжительность ООП составляет несколько часов и в течение этого периода в ней хранятся все сто процентов воспринятой информации, тогда информационная емкость этой формы памяти составит ~3-Ю5 бит, что в десять тысяч раз меньше рассчитанных возможностей мозга.

Так обстоит дело с возможностью хранения информации в виде фиксированных межнейронных связей. Попытаемся теперь ответить на вопрос, возможно ли запасание информации в структуре макромолекул с точки зрения их информационной емкости. Сопоставим данные о количестве информации, которую мозг человека может накапливать в течение жизни, с информационной емкостью линейных полимеров, используемых системами генетической памяти.

Четыре вида нуклеотидов могут образовывать 43 = 64 варианта триплетов. Информация, содержащаяся в одном триплете, следовательно, должна была бы составить log264 = 6 бит. На самом деле, поскольку код вырожден и некоторым триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, информация, содержащаяся в триплете, оказывается меньше и составляет приблизительно 4 бит. Информационное содержание одного аминокислотного остатка в полипептиде, казалось бы, должно быть таким же, как в триплете, но на самом деле оно оказывается меньше из-за различной частоты встречаемости аминокислот и при вычислении по формуле Шеннона составляет примерно 2 бит.

Следовательно, при информационном содержании памяти 109 бит для хранения этой информации требуется 2,5-Ю11 Д информационной РНК, около 5-10й Д ДНК и около 5 1010 Д белка. Согласно данным Хидена, в цитоплазме большого нейрона содержится 650 пг, а в ядре — 30 пг РНК, что равно, соответственно, 4-Ю14 и 1,8-1013 Д. В других нейронах содержание РНК меньше, но все равно оно колеблется около Ю13 Д. Это в несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.

Количество ДНК в нейронах уступает содержанию РНК. ДНК находится в основном в ядрах и составляет там -6-Ю12 Д, но и эта величина оказывается приблизительно в десять раз больше величины, требуемой для обеспечения памяти. Другими словами, десятой доли количества ДНК или сотой доли РНК, содержащейся в нейроне, достаточно для хранения нейрологической памяти, которую человек фиксирует в течение жизни.

Доля белка, содержащегося в нейронах, необходимая для фиксации энграммы, оказывается еще меньше.

Итак, биополимеров одного нейрона с избытком достаточно для обеспечения как ограниченной во времени, так и долговременной памяти мозга. Более того, количество ДНК в хромосомах нейрона таково, что, следуя цепи рассуждений, можно дойти до предположений о генетической передаче какой-то доли приобретенной нейрологической информации. Однако такое утверждение противоречит экспериментальным данным и теоретическим представлениям современной генетики.

Приведенные расчеты следует оценивать лишь как доказательство заведомой, колоссальной избыточности информационной емкости макромолекул клеток мозга. Очевидно также, что только из оценок информационной емкости макромолекул не вытекает необходимость существования в мозге огромного количества нервных клеток. Иначе говоря, только с точки зрения количества информации нельзя сделать выбор между гипотезой о том, что память основана на межнейронных взаимодействиях, и гипотезой о непосредственном хранении памяти в биополимерах.

Не решает однозначно вопроса о способе хранения энграммы и тот факт, что ингибиторы синтеза ДНК не подавляют ни фиксацию, ни хранения следа в ДП. Если считать, что в ДП в течение суток включается около 2104 бит информации, то это составит примерно 107 Д вновь синтезируемой ДНК, т.е. всего миллионную долю ДНК, содержащейся в одной нервной клетке. Даже если допустить, что при запоминании синтезируются десятки идентичных молекул ДНК, то и в этом случае такую долю можно не уловить существующими аналитическими методами и не отметить нарушения запоминания такими ингибиторами, как, например, цитозинарабинозид, степень торможения синтеза ДНК которым составляет не намного более 95%.

Таким образом, вопрос о механизме хранения энграммы приходится решать другими методами. Результаты исследований в настоящее время все в большей степени свидетельствуют о предпочтительности гипотезы, согласно которой память хранится в виде структуры межнейронных взаимодействий.



3. Роль нейромедиаторов в регуляции памяти



Ввиду того, что процессы памяти тесно связаны с модификацией синаптических процессов, химические передатчики нервного возбуждения должны играть здесь принципиальную роль. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, касающийся значения нейромедиаторов в процессах памяти и обучения. Полученные результаты свидетельствуют о большой значимости основных медиаторов в этих процессах, хотя конкретные формы участия каждого медиатора, по-видимому, зависят от того, какой именно тип информации запоминается.

Так, хотя известно, что способность животных к обучению, в общем, положительно коррелирует с уровнем ацетилхолина и отрицательно — с активностью холинэстеразы в мозге, тем не менее выработка одних навыков сопровождается активацией, а других — снижением активности этого фермента. В большинстве случаев, однако, ацетилхолин способствует выработке условных реакций. Показано, что снижение содержания ацетилхолина в мозге ингибиторами холинацетилазы нарушает обучение, а его повышение ускоряет выработку оборонительных навыков. В ряде исследований показано, что вещества, нарушающие обмен ацетилхолина, вызывают амнезию, а фармакологическая активация ацетилхолиновых рецепторов облегчает и ускоряет обучение и стимулирует извлечение следа из памяти.

Важная роль в регуляции процессов памяти принадлежит системе биогенных аминов мозга. В детальных исследованиях Е.А.Громовой было показано, что при выработке условных реакций с отрицательным подкреплением происходит активация норадренергической системы, а при обучении с положительным подкреплением содержание норадреналина в мозге и скорость его метаболизма снижаются. Умеренная активация норадренергических процессов стимулирует выработку реакций с болевым подкреплением, но чрезмерное увеличение содержания этого медиатора в мозге приводит к нарушению выработки всех условных реакций.

Серотонин, напротив, облегчает выработку и хранение навыков, основанных на положительном подкреплении, и отрицательно влияет на формирование оборонительных реакций. По существующим представлениям норадренергическая и серотонинергическая системы являются в значительной степени антагонистами в отношении процессов памяти, и способность к выработке тех или иных навыков зависит не столько от абсолютного уровня содержания или метаболизма того или иного медиатора, сколько от соотношения активностей этих систем. Так, нарушения, вызванные увеличением содержания серотонина, могут быть компенсированы параллельной активацией норадренергической системы и наоборот. -

По мнению Е.А. Громовой, существует реципрокность серо-тонина и норадреналина в регуляции консолидации следов памяти.

Механизм их действия заключается в свойствах этих медиаторов пролонгировать многократную циркуляцию возбуждения в нейронных системах, связанных соответственно с положительным и отрицательным восприятием информации, что является необходимым для перехода нейродинамической фазы фиксации следа в фазу структурно-химических изменений.

Сведения, касающиеся участия дофамина в регуляции процессов памяти, неоднозначны. По некоторым данным, он, как и норадреналин, может стимулировать выработку условных реакций с отрицательным подкреплением. В работах Г. Маттиеса было показано, что дофамин и его агонисты при инъекции в гиппокамп ускоряют выработку условной реакции в лабиринте с болевым подкреплением. Им же было показано, что этот медиатор стимулирует включение лейцина и фукозы в белки гиппокампальных нейронов, а также снижает фосфорилирование белка В-50 и усиливает фосфорилирование фосфоинозитолди-фосфата в клетках гиппокампа. Учитывая сказанное, есть основания считать, что дофамин участвует в регуляции синаптических процессов, связанных с фиксацией следов памяти.

Роль других медиаторов в регуляции процессов памяти изучена в меньшей степени. Из числа достаточно надежно установленных фактов можно указать на роль глутаминовой кислоты, о которой было сказано в связи с гипотезой Линча и Бодри, и на многочисленные данные, свидетельствующие о выраженном угнетающем влиянии на запоминание и обучение со стороны ГАМК.



4. Нейропептиды - регуляторы памяти



С середины 60-х годов стало известно, что некоторые олигопептиды, представляющие собой молекулы из небольшого числа аминокислотных остатков, способны модифицировать процесс обучения и влиять на степень выработки, хранения и угасания приобретенных поведенческих реакций. Среди этих пептидов оказались ранее известные гормоны, их фрагменты, а также ряд других соединений, выполняющих в организме специфические регуляторные функции. Из пептидов, относящихся к числу гормонов, наиболее выраженным действием на процессы обучения и памяти обладают гормоны гипофиза — адренокор-тикотропный и вазопрессин.

При изучении влияния АКТГ на процессы памяти было показано, что главная роль в его действии принадлежит фрагменту АКТТ4_10, который оказывает на эти процессы практически такой же эффекту как и целый гормон. Положительным влиянием на обучение обладает также и еще более короткий отрезок АХТГ4_7, хотя его действие выражено слабее, чем у АКТГ4_ J0. Более короткие фрагменты не оказывают существенного влияния на процессы обучения и памяти.

Как было выяснено, стимулирующее влияние фрагментов АКТГ на обучение не связано с собственно гормональной функцией пептида, так как фрагменты-активаторы памяти лишены такой функции. Кроме того, установлено, что эти пептиды действуют непосредственно на процессы фиксации, хранения и воспроизведения памятного следа, а не на функции, связанные с активностью и вниманием во время обучения, ибо фрагменты АКТГ оказываются эффективными при введении их либо сразу после сеанса обучения, либо перед воспроизведением приобретенного навыка.

Гормон задней доли гипофиза — вазопрессин также обладает ярко выраженным положительным влиянием на выработку условных реакций у животных и функции, связанные с памятью у людей. Будучи введенным в чрезвычайно малых дозах, он ускоряет выработку и замедляет угашение приобретенных навыков, устраняет ретроградную амнезию, улучшает воспроизведение хранящейся в памяти информации. Стимуляция вазопрессином процессов памяти также не связана с его гормональным действием, так как такое же стимулирующее действие оказывают некоторые его аналоги и фрагменты, не вызывающие свойственных вазопрессину гормональных реакций.

Есть все основания считать, что АКТГ и вазопрессин либо их фрагменты, образующиеся в организме в результате расщепления гормонов, не только стимулируют запоминание при введении их извне, но постоянно функционируют в мозге в качестве регуляторов процессов памяти. В пользу этого утверждения свидетельствует целый ряд фактов. Во-первых, введение животным иммунной антисыворотки, специфически связывающей вазопрессин либо АКТГ4-10, приводит к значительному ухудшению их обучаемости. Во-вторых, крысы, у которых в результате мутации нарушен синтез вазопрессина, способны к обучению в значительно меньшей степени, чем животные с нормальным уровнем этого нейропептида. В-третьих, доказано, что в мозге существует обширная сеть вазопрессинергических нейронов, синаптические окончания которых особенно многочисленны в тех отделах, которые принимают активное участие в процессах, связанных с памятью и обучением.

Можно, таким образом, утверждать, что вазопрессин и АКТГ и их фрагменты являются специфическими регуляторами функций центральной нервной системы, имеющих прямое отношение к процессам фиксации, хранения и воспроизведения следов памяти. Помимо этих двух соединений существует еще несколько нейропептидов, которые можно считать относительно специфичными стимуляторами запоминания и воспроизведения энграмм.



Таблица 112. Некоторые стимуляторы запоминания и воспроизведения энграммы

Степень специфичности эффекта

Стимуляторы





Общая характеристика

Вещество

Относительно

специфичные



Регуляторные пептиды

Вазопрессин и некоторые аналоги, дипептид pEDa, pEGa, АКТГ и некоторые аналоги. Ряд других регуляторных пептидов модулируют запоминание, но лишь в особых условиях эксперимента





Непептидные соединения

Пирацетам и его аналоги, некоторые ганглиозиды

Агенты широкого спектра действия 

Вещества, связанные с метаболизмом РНК

Оротат, метилглюкаминоротат, РНК различной полимерности и происхождения





Нейрости мулл торы

Фенилалкиламины, фенилалкилоиднонимины 



Некоторые антидепрессанты Некоторые холиномиметики и ингибиторы ацетилхолинэстеразы в ограниченном интервале доз



Непептидные специфические стимуляторы памяти практически неизвестны. Единственным таким соединением, широко использующимся в клинике, эффект которого молило считать несомненным, является пирацетам. Интересно, что молекула пирацетама, химически родственная ГАМК, в то же время близка по конформации к некоторым пептидам, которые также существенно стимулируют запоминание и, в свою очередь, сходна по структуре с активными фрагментами вазоирессина.

Что касается других непептидных соединений, обладающих стимулирующим действием на процессы памяти, то их действие, скорее всего, является неспецифическим, осуществляемым благодаря общей активации деятельности ЦНС Достаточно активным стимулятором памяти является оротовая кислота, действие которой направлено на синтез уридиимоно-фосфата и, следовательно, на образование РНК.

Известно, что нейропептиды могут служить как самостоятельными медиаторами в синаптических окончаниях нейронов, так и кофакторами классических медиаторов, вместе с которыми они могут находиться либо в одной везикуле, либо в различных везикулах в пределах одной терминала. 

Есть основания полагать, что такое сочетание группы активных веществ в пределах одной терминали является в большинстве случаев, если не во всех, необходимым для нормального функционирования синапса. Возможно, оно обеспечивает способность пресинаптического аппарата регулировать уровень освобождения медиатора и чувствительность к приходящим стимулам.

Известно, что нейропептиды-спутники способны значительно повышать сродство рецептора к основному медиатору. Например, вазоактивный интестинальный пептид увеличивает сродство ацетилхолиновых рецепторов к ацетилхолину более чем в десять тысяч раз. Это свойство пептидов может иметь большое значение, так как они, как правило, гораздо стабильнее, чем непептидные медиаторы. Если период полураспада у последних колеблется от нескольких долей секунды до минуты, то для многих пептидов он может составлять несколько минут и более. В результате создаются условия для того, чтобы проводимость синапса увеличивалась на время, значительно превышающее продолжительность КПМ.

Выделяющиеся в синаптических окончаниях пептиды способны влиять на описанные выше нейрохимические реакции в нейронах, которые могут быть связаны с консолидацией следов памяти. Установлено, что АКТГ, взаимодействуя с постсинаптическими рецепторами, увеличивает образование внутриклеточной цАМФ. Результатом этого может быть подавление фосфорилирования упоминавшегося синаптосомального белка В-50. Следующим звеном в цепи возникающих реакций будет являться снижение уровня фосфорилирования фосфоинозитидов, уменьшение отрицательного заряда мембраны и изменение состояния ионных каналов. Известно, что вазопрессин также оказывает влияние на уровень фосфорилирования белка В-50. Следовательно, кроме кратковременных эффектов нейропептидов-спутников, связанных с их действием на сродство рецепторов к основному медиатору, можно представить себе их более длительное действие на поляризацию других, более отдаленно расположенных мембран и на синаптическую проводимость.

Действие нейропептидов на постсинаптические рецепторы не обязательно должно быть обусловлено их локализацией в одном синаптическом окончании с непептидными медиаторами. Возможен и такой вариант, когда в районе одного постси-наптического рецептора расположены в непосредственной близости синаптические окончания двух нейронов, один из которых выделяет классический, а другой — пептидный медиатор. Оба медиатора реагируют с соседними участками постсинаптической мембраны таким образом, что пептид изменяет ее реакцию на выделение основного медиатора. В этом случае реакция постсинаптической клетки на этот медиатор в большой мере будет зависеть от того, пришел ли одновременно импульс или серия импульсов от пептидергического нейрона,

Изложенные предположения о роли нейропептидов в процессах нейронной пластичности и памяти не обязательно должны относиться исключительно к вазопрессину и АКТГ, т.е. тем пептидам, которые несомненно способны стимулировать память при их введении в организм. Вероятно, не все введенные пептиды могут, не разрушаясь, достигать тех клеток мозга, где они способны оказать свое действие. Кроме того, в том случае, когда пептид вводят системно, т.е. внутривенно, внутрибрюшинно, подкожно или внутримышечно, его действие распространяется сразу на весь организм и специфическое влияние на процессы обучения и памяти может маскироваться другими эффектами. Вот почему количество известных нейропептидов-стимуляторов памяти, скорее всего, будет постепенно увеличиваться.

Уже сейчас выявлены соединения, обладающие неизвестной ранее для них способностью стимулировать процессы запоминания и воспроизведения энграмм. Кроме того, установлено, что некоторые фрагменты и искусственно синтезированные аналоги природных пептидов часто обладают более выраженным действием, чем сами соединения, обнаруживаемые в организме. Так, выяснилось, что аналог АКТТ4_7 — MEHFKF обладает активностью, в тысячу раз превышающей активность самого АКТГ. Получен также аналог АКТГ4_7, образующийся присоединением к нему трех природных аминокислот, — MEHFPGP, который по активности не уступает исходному пептиду, но обладает значительно более продолжительным действием. Такое увеличение активности или пролонгирование эффекта объясняется тем, что присоединение дополнительных аминокислотных остатков к молекуле пептида или замена их внутри этой молекулы делает ее более устойчивой к метаболической деградации, в результате чего нейропептид достигает клеток-мишеней в больших концентрациях, чем это имеет место при введении природного соединения.

Уже упоминались случаи, когда фрагмент нейропептида оказывается активнее, чем исходное вещество. Так, было показано, что при внутримозговом введении фрагмента вазопрессина NCPGa его дозы, требуемые для стимуляции обучения, оказываются на несколько порядков ниже, чем для целого вазопрессина. Авторы этих исследований считают, что в регуляции процессов памяти участвует не вся молекула вазопрессина, а лишь фрагмент, отщепляющийся от молекулы благодаря специфике метаболизма вазопрессина в ЦНС.



5. Проблема переноса памяти



Предположение, что следы памяти или выработанные навыки могут быть закодированы в структуре каких-то химических соединений и переноситься с этими соединениями от одного индивида к другому, возникло на рубеже 50-60-х годов после исследований МакКоннела, проведенных на червях планариях. Безусловной реакцией планарии является сокращение тела в ответ на электроболевой раздражитель. После многократного сочетания такого воздействия со вспышкой света у червей вырабатывалась условная реакция на свет. Вслед за этим планарию разрезали на две половины и выжидали месяц, пока каждая половина не регенерирует до целой особи. После этого у всех регенерировавших таким образом планарий вновь вырабатывали ту же условную реакцию. При этом выяснилось, что для выработки реакции требуется время, в три раза меньшее, чем при первоначальном обучении, независимо от того, из какого конца — головного или хвостового — происходила регенерация. Результаты заставляли предполагать, что приобретенная условная реакция кодируется какими-то химическими веществами, которые могут храниться как в головной, так и в хвостовой части червя.

В дальнейших экспериментах была сделана попытка определить, какие именно химические соединения обусловливают перенос навыка. Оказалось, что если регенерация производится в растворе рибонуклеазы, ускорение выработки реакции происходит только у тех планарий, которые регенерируют из головного конца. Результаты этих экспериментов породили предположение, что переносчиком памяти является РНК. Однако дальнейшие исследования, выполненные на позвоночных животных, этого предположения не подтвердили.

Аналогичные эксперименты, проводимые главным образом на крысах, также показали, что передача некоторых форм приобретенных навыков с помощью химических агентов, скорее всего, возможна. Многие исследователи склоняются, однако, к представлению, что переносится не сам навык, а способность к его выработке. Большая группа экспериментов, проведенных почти одновременно в середине 60-х годов в разных лабораториях и на разных моделях, показала возможность ускорения обучения определенным навыкам у крыс-реципиентов, получавших гомогенат и экстракты мозга от обученных крыс-доноров. К переносимым относились такие реакции, как нахождение правильного пути в лабиринте, инструментальные рефлексы и привыкание к сильному звуковому раздражителю. Во всех этих экспериментах у реципиентов по сравнению с контрольными животными значительно быстрее вырабатывалась именно та реакция, которую приобрели доноры.

Дальнейшие исследования были посвящены попытке выяснить химическую природу одного из таких переносчиков памяти. Еще в 1965 г. Г. Унгар предположил, что фактором переноса является не РНК, как считалось до того времени, а белок. В дальнейшем это предположение находило все большее экспериментальное подтверждение.

Тот же Г. Унгар в последующих работах использовал методику так называемого пассивного избегания, состоящую в том, что крысу помещают в камеру, состоящую из двух отсеков — темного и светлого. В соответствии со своими биологическими склонностями животное заходит в темный отсек, где получает удар током. Если это болевое подкрепление запоминается, то при последующих помещениях в камеру животное избегает заходить в темный отсек. В опытах Г. Унгара после устойчивой выработки условной реакции пассивного избегания у крыс выделяли мозг и различные его фракции вводили реципиентам-мышам, которых впоследствии тестировали по той же методике. В результате было показано, что мыши, получавшие экстракты мозга обученных крыс, с самого начала избегали заходить в темный отсек.

Исследователями было получено большое количество одинаково обученных животных, достаточное для того, чтобы выделить вещество, ответственное, как считалось, за перенос специфического навыка. Им оказался пептид, состоящий из 15 а.о. Он был назван скотофобином.

Впоследствии были выделены и другие пептиды, переносящие, как думали, определенные типы выработанных навыков. Однако детальные исследования показали, что получить чистые препараты, способные переносить закрепленные навыки, довольно затруднительно. Чем тщательнее производилась очистка выделяемой фракции, тем в меньшей степени осуществлялся перенос. Синтетический скотофобин, хотя в какой-то степени и вызывал у доноров боязнь темноты, но обладал значительно меньшей эффективностью, чем препараты, выделенные из мозга.

Методика экспериментов Г. Унгара была подвергнута многосторонней критике. Утверждалось, например, что животные во время опыта находятся в состоянии выраженного стресса и поэтому выделяемый фактор является агентом переноса не памяти, а стрессового состояния. Кроме того, результаты экспериментов, проведенных в разных лабораториях, в большой мере варьировали в зависимости от сравнительно небольших различий в особенностях применяемых методик. После многолетних исследований удалось установить, что факторы переноса навыков Г.Унгара, по всей вероятности, если и существуют, то не переносят непосредственно уже сформировавшийся навык, а лишь усиливают способность к его выработке при обучении реципиентов. На этом и основано мнение многих исследователей, что все факторы переноса на самом деле являются просто стимуляторами памяти, подобными уже упоминавшимся АКТГ и вазопрессину.

Таким образом, пока нет вполне строгих доказательств переноса энграммы с помощью специфических химических соединений, вырабатывающихся в мозге донора. Трудности экспериментального подтверждения переноса памяти связаны, в частности, с тем, что при выработке сложных поведенческих реакций может выделяться одновременно несколько факторов, каждый из которых обусловливает определенный компонент целостной реакции. Факторы эти могут взаимодействовать между собой достаточно сложным образом, усиливая или подавляя друг друга. В результате малейшие отклонения в экспериментальной процедуре могут приводить к неоднозначным результатам.

Говоря о механизмах химического переноса памяти, можно представить себе два варианта. Либо информация закодирована в структуре молекул переносимого вещества, либо эти вещества запускают в мозге реципиента функциональные системы, аналогичные тем, которые были активированы у донора. Имеющиеся факты не дают каких-либо свидетельств в пользу первого предположения. Судя по существующим данным, веществами-переносчиками, по всей вероятности, являются малые и средние по размерам пептиды. Однако трудно себе представить способность таких пептидов к переносу больших порций информации, усваиваемой при выработке того или иного навыка. К тому же до сих пор не установлена с достаточной определенностью структура таких пептидов.

Второй вариант, предусматривающий генетически обусловленное существование в мозге многочисленных схем обучения и их активацию определенными химическими агентами, представляется более вероятным. Одним из возможных механизмов такого переноса могут быть упоминавшиеся иммунологические процессы, обеспечивающие закрепление памяти. В свете гипотезы об иммунохимических механизмах памяти фактором переноса может быть либо соединение, вырабатывающееся в синапсе в результате приходящей к нему интенсивной импульсации и служащее антигеном, либо антителоподобные соединения, вырабатывающиеся в ответ на этот антиген. По химической природе эти факторы могут быть пептидами относительно малого размера.

Известно, что в целом ряде обычных иммунологических процессов антигенная детерминанта, т.е. участок молекулы антигена, ответственный за его специфичность, может представлять собой пептид с относительно небольшим количеством аминокислотных остатков. Тем более, что возможность существования антител в виде молекул, значительно меньших обычных иммуноглобулинов, допустима в изолированной иммунной системе мозга. Здесь не требуется крупных белковых молекул, в которые, помимо узнающего участка, входит большой фрагмент для обеспечения изоляции и уничтожения чужого антигена. Для реализации процессов, связанных с памятью, может оказаться достаточным пептид, близкий по размеру к узнающему участку.

В результате таких иммунохимических процессов в мозге могут образовываться антигены или антителоподобные соединения. При попадании в мозг реципиента такие вещества способны найти синапсы или клетки глии, аналогичные тем, на которых они были синтезированы и, модифицируя их деятельность, обеспечить запуск соответствующей функциональной системы.

Таковы существующие представления о возможности переноса, или транспорта, запечатленной в мозге информации с помощью химических агентов. Окончательное же решение этого вопроса будет зависеть от дальнейших исследований, связанных с выделением, анализом структуры, синтезом и лабораторными испытаниями этих веществ.

Суммируя изложенные представления о молекулярных механизмах памяти, можно сделать заключение, что основой нейрологической памяти является изменение проводимости в сети синапсов после многократного повторения подходящих к синоптическим терминалям импульсов. Поэтому события на молекулярном уровне, непосредственно связанные с запоминанием, разыгрываются в значительной мере в синапсе, но с обязательным привлечением других биохимических систем нейрона и, по всей вероятности, клеток глии.

Следует, однако, иметь в виду, что такие представления находятся, по мнению ряда исследователей, в противоречии сданными о возможности "научения" отдельного нейрона. В опытах с хорошо наблюдаемыми и всесторонне охарактеризованными нейронами моллюсков установлена возможность возникновения реакции нейрона на условный раздражитель. Раздражителем может служить, в частности, какое-либо вещество, подводимое к нейрону. После ряда одновременных воздействий этого вещества и фактора, который при всех условиях вызывает реакцию нейрона, оказывается возможным выработать реакцию клетки только на избранное вещество.

Пока еще трудно судить о биохимических механизмах этого явления. Однако попытаемся ответить на вопрос, каково его возможное значение в механизмах запоминания целого мозга.

Рассмотрим сначала это явление с позиций филогенеза. Развитие у одноклеточных организмов каких-то форм привыкания, сенситизации и запоминания, кроме генетической памяти, охарактеризованной выше, не встречает каких-либо принципиальных возражений. Нет и априорных возражений против того, что при объединении единичных клеток по ходу эволюции в многоклеточные организмы индивидуальные механизмы клеточной памяти не утрачивались, а вступали в какие-то отношения с другими системами. Однако можно ли, опираясь на достигнутый уровень знаний, сравнивать относительную значимость для многоклеточных, особенно высших, животных памяти огромных нейрональных ансамблей, с одной стороны, и простую сумму памяти индивидуальных нейронов, с другой?

Выше уже отмечалось соответствие реально достижимой информационной емкости нейрологической памяти с характеристиками численности и взаимосвязанности нейронов мозга. Определена и важнейшая роль состояния мозга для формирования не только кратковременной, но и долговременной памяти. В мозге высших животных и человека отмечено наличие отделов, зон и т.д., которые в разное время и по-разному участвуют в процессе консолидации памяти. Хотя память следует рассматривать как функцию всего мозга, это не значит, что не существует сложной системы "разделения труда" между отдельными нейронами и их группами. Все это является свидетельством качественно нового уровня, достигнутого в филогенезе после перехода к многоклеточным организмам. Поэтому можно полагать, что способность отдельного нейрона к простейшим формам обучения и запоминания каким-то образом интегрирована в высших полинейрональных синаптических механизмах. Изучение механизмов этой интеграции сейчас только начинается. Однако уже ясно, что нет оснований для противопоставления синаптических и "мононейрональных" гипотез о природе нейрологической памяти.

Различные по продолжительности и по ряду других признаков формы памяти обеспечиваются качественно различными механизмами, которые, однако, тесно связаны друг с другом. На первом этапе основными факторами являются локальные и кратковременные изменения концентраций калия и кальция в непосредственной близости от синаптических мембран. При более продолжительной форме памяти в процесс могут быть вовлечены другие механизмы, которые первоначально запускаются, с одной стороны, изменениями потоков и концентраций указанных ионов, а с другой — прямым действием медиаторов, а также нейропептидов-спутников. К таким процессам, в первую очередь,* относится изменение степени фосфорилирования белков мембран, происходящее за счет кальций- или циклонуклеотид-зависимых реакций. При этом происходит протеолиз и модификация синтеза некоторых мембранных белков. Совокупность всех этих процессов может определять ООП в различных ее формах, имеющих разную продолжительность — от нескольких секунд до нескольких суток. При этом надо иметь в виду, что нейрохимические перестройки могут затрагивать не только синаптический аппарат, но и изменять деятельность самого нейрона. Предполагается, что помимо соединений, изменяющих функционирование синапса в мозге, существуют специальные информационные вещества, действующие в составе так называемой парасинаптической системы, т.е. минуя синапс.

В этот же период происходят процессы консолидации, формирующие наиболее продолжительную, пожизненную форму памяти — ДПП. При этом включается или усиливается синтез некоторых белков, возможно тех же, которые определяют длительную форму ООП. Эти белки могут либо индуцировать перестройку регуляторной системы в геноме нейрона, так что обеспечивается поддержание измененного состава синаптических мембран в течение всей жизни, либо включать иммунохимические механизмы в глиальных клетках, обусловливающие постоянное воздействие на состояние синапса путем выработки антителоподобных соединений, специфически связывающих белки синаптической мембраны данного нейрона или группы нейронов.

В целом, развитие представлений о молекулярных механизмах памяти идет от попыток создания универсальных гипотез, стремящихся объяснить все процессы, связанные с запоминанием в целом, к разработке все более усложняющихся представлений о большой и разветвленной цепи реакций, определяющих различные формы нейрологической памяти. В связи с этим следует обратить внимание на одно важное обстоятельство. Имеющиеся в настоящее время данные заставляют предполагать, что формы нейрологической памяти и обусловливающие их нейрохимические механизмы могут определяться не только временными характеристиками, но и тем, какая именно информация запоминается или какой тип условной реакции вырабатывается. Например, ингибиторы кальций-зависимых протеиназ, о роли которых в формировании нейронной пластичности и ООП уже говорилось, могут нарушать выработку только отдельных видов условных реакций, оставляя интактными другие. Аналогичные факты известны относительно некоторых пептидных регуляторов памяти и веществ, влияющих на классические медиаторы. Существуют типы поведенческих реакций, формирование которых стимулируется вазопрессином и не затрагивается АКТГ, и наоборот. В некоторых случаях норадре-налин стимулирует формирование одних форм поведения и ухудшает приобретение других, а серотонин действует противоположным образом. Имеются и другие примеры, указывающие на то, что нейрохимические механизмы, ответственные за формирование памяти, могут быть различными в зависимости от содержания запоминаемой информации.

Таким образом, к настоящему времени не существует единой непротиворечивой теории, способной объяснять всю совокупность фактов, связанных с природой памяти. Проблема эта является чрезвычайно сложной и потребует еще своего переосмысления с позиций различных подходов. Однако несомненный прогресс, наметившийся в последние годы в этой области, и широкий фронт проводящихся исследований позволяет ожидать в ближайшие годы существенных качественных сдвигов в расшифровке этих механизмов.


Выводы



1. Нейрологическая память обладает сложной системной организацией и не имеет строгой локализации в определенных участках мозга. По современным представлениям, следы памяти фиксируются в мозге в виде изменений состояния синаптического аппарата, в результате которых возникает предпочтительное проведение возбуждения по определенным нервным путям.

2. После восприятия информации, в процессе ее запечатления и фиксации, в мозге протекает ряд последовательно сменяющихся нейрохимических процессов. На первых этапах, в стадии минимальной кратковременной памяти продолжительностью не более секунды, происходят изменения "быстрых" функций синапса, связанные с выбросом и сдвигом концентрации "классических" и пептидных медиаторов. В дальнейшем, в фазе относительно ограниченной во времени памяти, длящейся от нескольких секунд до нескольких суток, первоначальные синаптические процессы, связанные с изменениями концентрации ионов кальция или циклазными системами, могут вовлекать широкий спектр нейрохимических процессов, включающих изменения в составе и структуре нейроспецифических белков, в частности изменения степени их фосфорилирования, а также модификацию синтеза РНК.

3. Для формирования пожизненной долговременной памяти необходим постоянный синтез новых биополимеров, который может быть осуществлен в случае устойчивых перестроек в функционировании участков генома. Последние могут происходить в результате либо структурных изменений ДНК, либо образования устойчивых циклов для постоянного синтеза репрессоров или дерепрессоров транскриггтонов. Возможно также, что в формировании долговременной памяти принимают участие иммунологические механизмы, благодаря которым в мозге синтезируются антителоподобные соединения, способные в течение длительного времени модифицировать деятельность синапсов в определенных нервных путях.

4. В механизмах формирования памяти принимают участие как "классические" медиаторы, так и большое число нейропептидов, выполняющих функции медиаторов и нейромодуляторов. Среди таких нейропептидов наиболее изучены вазопрессин и фрагменты АКТГ, введение которых в организм в небольших дозах значительно стимулирует процессы, связанные с запоминанием и извлечением информации из памяти. Существенно при этом, что влияние пептидных гормонов на память не связано с их собственно гормональными функциями.

5. Имеются сведения о том, что при обучении в мозге животных вырабатываются определенные олигопептиды, которые способны при введении необученным животным стимулировать у них выработку аналогичного навыка. Однако конкретные механизмы такого "транспорта памяти" пока не известны.