Формирането на паметта зависи както от специфичните за синапсите модификации на синаптичната сила, така и от специфичните за клетката увеличения на възбудимостта

За контакт: Одри Хуaudrey.hu@wecistanche.com

Резюме

The modification of synaptic strength produced by long-term potentiation (LTP) is widely thought to underlie memory storage. Indeed, given that hippocampal pyramidal neurons have>10, 000 независимо модифицируеми синапси, потенциалът за съхранение на информация чрез синаптична модификация е огромен. Въпреки това, скорошна работа предполага, че медиираните от CREB глобални промени в невронната възбудимост също играят критична роля при формирането на паметта. Тъй като тези глобални промени имат скромен капацитет за съхранение на информация в сравнение с този на синаптичната пластичност, тяхното значение за функцията на паметта е неясно. Тук преглеждаме новопоявилите се доказателства за CREB-зависим контрол на възбудимостта и обсъждаме два възможни механизма. Първо, CREB-зависимата преходна промяна в невроналната възбудимост изпълнява функция за разпределение на паметта, гарантирайки, че паметта се съхранява по начини, които улесняват ефективното свързване на събития с времева близост (часове). Второ, тези промени могат да насърчат образуването на клетъчно сглобяване по време на фазата на консолидиране на паметта. Не е ясно дали такива глобални промени в възбудимостта и локалните синаптични механизми се допълват. Тук ние твърдим, че двата механизма могат да работят заедно за насърчаване на полезна функция на паметта.

Изясняването на молекулярните, клетъчните и мрежовите механизми, които са в основата на ученето и паметта, е основна цел на съвременната невронаука. Във важен ранен принос Доналд Хеб предложи асоциациите, които съставляват памет, да се съхраняват чрез зависими от дейността промени в силата на синапсите! Много последваща работа показа, че синапсите всъщност претърпяват зависимо от дейността укрепване, както е предвидено от Hebb, и го правят чрез LTP (и допълващия процес на дългосрочна депресия (LTD))3. В каноничната форма на LTP, открита в CAI хипокампалните синапси, индукцията на LTP зависи от определен тип глутаматен рецептор, NMDAR, и от биохимична каскада, инициирана и поддържана от обилния синаптичен протеин калций/калмодулин-зависима протеин киназа II (CaMKII)3 . Важно е, че генетичните модификации, които пречат на функцията на NMDAR или CaMKII, не само блокират LTP, но също така предизвикват дълбоки дефицити в ученето и съхранението на паметта. Обратно, почти всички мутации, които подобряват паметта, също подобряват LTP. Друга работа показва, че LTP, веднъж индуциран по време на учене7, може да бъде двупосочно модифициран чрез LTD/LTP-подобна стимулация, като по този начин води както до намаляване, така и до повторна поява на ръководено от паметта поведение8. Хипокампалните пирамидални неврони имат повече от 10 000 синапса и тъй като всеки синапс може да бъде независимо модифициран от LTP (т.е. LTP е специфичен за синапса), дори един неврон има впечатляващ капацитет за съхранение на информация. Освен това, изчислителният анализ показва, че модификацията на синаптичната сила от LTP е достатъчна, за да се създаде разпределено съхранение на паметта в невронни мрежи10 Взети заедно, тези открития са довели до широко разпространеното мнение, че LTP медиира съхранението на паметта.

Съществуват обаче натрупващи се доказателства, че специфичните за синапса промени не са единственият тип невронална промяна, необходима за функциите на паметта. Трябва да се отбележи, че модификацията на глобалните свойства на невроните също има важна роля в ученето и паметта. Доказателствата за такива промени първоначално са получени в препарати от безгръбначни, използвани за изследване на пресинаптичното улеснение2, което е в основата на краткосрочната поведенческа сенсибилизация. Това улеснение включва повишаване на пресинаптичната възбудимост, причинено от намаляване на К плюс кондуктанс3. Друга работа показва, че кондиционирането на Hermissendal повишава невронната възбудимост чрез намаляване на K* проводимостта. Изследването на промените във възбудимостта, свързани с обучението, след това беше разширено до гръбначни животни5 и сега е подкрепено от множество доказателства16-19. В тази перспектива ние описваме това доказателство, както и критичната роля на транскрипционния фактор CREB (сАМР-отзивчив елемент-свързващ протеин) в този процес. След това разглеждаме въпроса защо гръбначните неврони, които могат да съхраняват големи количества информация чрез модифициране на своите многобройни синапси, също променят глобалните клетъчни свойства чрез регулиране на транскрипцията. Ние описваме две идеи за това как синаптичните и транскрипционните модификации правят различен принос, необходим за цялостния процес на формиране на паметта.

Ефекти от цистанче и продукти от цистанч: подобряват паметта и способността за учене

Ролята на транскрипционния фактор CREB в паметта

Ранната работа при безгръбначните сочи значението на регулирането на транскрипцията в паметта20. Това доведе до интерес към CREB, тъй като той претърпява активиране, зависимо от фосфорилирането, което продължава с часове в хипокампуса на гръбначните след индуциране на LTP² и обучение2. Значението на CREB за паметта вече е демонстрирано чрез двупосочна манипулация на функцията CREB2324. Изследователите са използвали различни методи за отрицателно модулиране на CREB, включително нокдаун на CREB (по-специално a/6 изоформи), медиирано от антисенс олигодезоксинуклеотид разрушаване на CREB, РНК интерференция и целенасочена генетична мутация23, 25-27. Тези манипулации неизменно водят до дефицит на паметта. Обратно, повишаването на нивата на активния CREB води до подобряване на паметта2²8,29.

Втората вълна на напредък в разбирането на функцията CREB възникна от новоразработени инструменти, които позволиха директна визуализация и манипулиране на клетките, които посредничат в паметта за съхранение („клетки за проследяване на паметта“). Един от получените методи се възползва от факта, че клетките, подложени на силна активност, както се случва по време на формирането на паметта, синтезират повишени нива на клас регулаторни протеини, посочени като незабавни ранни гени (IEGs; например, cFos и arc). Отдавна е известно, че тези протеини се експресират в клетки, активирани по време на обучение, и тяхната експресия може да се използва за идентифициране на клетки със следи от паметта30. Експериментите показват, че повишаването на нивата на CREB в подгрупа от клетки увеличава вероятността тези клетки да бъдат включени в следа от паметта, докато намаляването на нивата на CREB има обратен ефект 31, 32. При обучени животни свръхекспресиращите CREB клетки имат по-висока експресия на IEG от съседните клетки. Важно е, че CREB-зависимите увеличения на експресията на IEG не се срещат при нетренирани мишки!. Тези резултати показват, че относителните нива на CREB могат да повлияят кои неврони са включени в следа от паметта, феномен, наричан разпределение на паметта. Последващите проучвания показаха, че инхибирането на ß и по този начин показаха, че CREB-свръхекспресиращите клетки влияят отрицателно върху извикването на паметта 3133-35 необходимостта от тези клетки за възстановяване на паметта.

Доказателство, че CREB модулира клетъчната възбудимост

Чрез какъв механизъм CREB може да контролира разпределението на паметта? Тъй като LTP зависи от нивото на деполяризация в постсинаптичните неврони, CREB може да работи чрез повишаване на невронната възбудимост и по този начин увеличаване на включването на неврони в паметта. Тази възможност вече е тествана по няколко начина. В един набор от експерименти бяха получени вътреклетъчни записи от клетки, които свръхекспресират CREB. Както е показано на Фигура 1, същата величина на токовия импулс произвежда повече потенциали за действие в CREB-свръхекспресиращите клетки, отколкото в близките неврони, които не свръхекспресират CREB (вижте също реф. 32,43637. CREB свръхекспресията също води до по-малък след -хиперполяризация (AHP) след поредица от потенциали на действие. Тъй като такива AHP се генерират от Kt канали38, изглежда вероятно, че повишената възбудимост на CREB-експресиращите клетки се дължи поне отчасти на намалената Kt проводимост. Възможно е също да има промени във възбудимостта, които зависят от промените в превода39, но те са извън обхвата на този преглед, защото не включват CREB.

Друг тип експеримент беше използван за директно тестване дали манипулирането на клетъчната възбудимост е достатъчно, за да повлияе на включването на клетката в паметта. В тези проучвания са използвани вирусни вектори за повишаване на възбудимостта чрез намаляване на функцията на K плюс канала (т.е. чрез експресията на доминантно-отрицателни форми на два Kt канала, включени в AHP: KCNQ2 и KCNQ32). Клетките, експресиращи мутантни канали, наистина са преференциално разпределени към следата на паметта, както е показано от повишените нива на IEG протеиновата дъга спрямо тези в съседните неинфектирани неврони. В свързани експерименти възбудимостта на клетките е намалена от експресията на Kir2.1, коригиращ навътре K't канал Сред клетките Kir2.1, вероятността клетките да са активни е намалена приблизително пет пъти в сравнение с клетките, които не експресират протеина, и това води до намалено включване в паметта. По-нататъшни експерименти демонстрираха значението на промените във възбудимостта на поведенческо ниво: когато опсинът на стъпковата функция беше използван за увеличаване на възбудимостта на подгрупа от амигдални неврони точно преди кондиционирането на тонуса, последващите поведенчески експерименти показаха, че тези неврони са разпределени да съхраняват тоналния шок като SOCiation40.

Взети заедно, тези резултати показват, че основната функция на CREB е да повиши възбудимостта на невроните.1,42 и по този начин да модулира разпределението на неврони в паметта. Това повишаване на възбудимостта чрез силна невронна активност е в контраст с модификациите на присъщата и синаптична проводимост, които са хомеостатични, т.е. при които силната невронна активност води до намалена възбудимост45. Това повдига въпроса каква функция може да има повишаването на възбудимостта от CREB. В моделите на невронни мрежи, подобряването на предаването чрез LTP е достатъчно, за да произведе функция на паметта, така че какво добавя CREB-зависимото повишаване на възбудимостта? Една от възможностите е разпределението, но каква е ползата от разпределението? Тези въпроси са разгледани в следващия раздел.

Функции на общоклетъчното повишаване на възбудимостта

По-долу първо описваме една хипотеза за ролята на зависимите от обучението промени в глобалната възбудимост, която има значителна експериментална подкрепа. След това предлагаме втора и по-спекулативна възможност. Тези хипотези не се изключват взаимно.

Ефекти от цистанче и продукти от цистанч: подобряват паметта и способността за учене

Хипотезата за разпределение към връзка

Както е описано по-горе, увеличаването на количеството активиран CREB подобрява възбудимостта и по този начин отклонява разпределението на невроните в следата на паметта. Според хипотезата за разпределяне към връзката44, тези промени образуват връзка между спомени за събития, които се случват в рамките на часове едно от друго, и тази връзка има важна функция. Както е описано по-горе, първоначален пристъп на обучение води до увеличаване на количеството CREB в невроните, кодиращи паметта, което продължава с часове. Полученото повишаване на възбудимостта води до набирането на много от тези неврони за кодиране на нова памет, образувана по време на периода на повишена възбудимост. Крайният резултат е, че две памети, кодирани близо една до друга във времето, са кодирани от припокриващи се групи от неврони; по този начин двете памети са свързани и тази връзка може да е в основата на припомнянето на отделни събития, които се случват по време на период от няколко часа (фиг. 2а).

Скорошно проучване показа, че припокриващите се хипокампални невронни ансамбли наистина улавят спомени за контексти, изследвани близо във времето4. За да определят директно дали припокриващите се клетки кодират двата контекста, авторите са използвали миниатюрен флуоресцентен микроскоп, монтиран на главата, за да наблюдават калциевите преходни процеси в хипокампалните CAl неврони на мишката, докато мишките изследват различни контексти. Имаше по-голямо припокриване между невронните ансамбли, активирани от тези контексти, когато двата контекста бяха изследвани в рамките на един и същи ден (с интервал от 5 часа), за разлика от различни дни (с интервал от 7 дни) (фиг. 2b). Това осигурява пряка подкрепа за идеята, че припокриващите се невронни ансамбли кодират спомени, формирани близо във времето. Следствие от това невронално припокриване е, че тези спомени стават поведенчески свързани; беше установено, че когато един от контекстите предизвиква реакция на страх, мишките също започват да се страхуват от свързания контекст, въпреки че никога не са изпитвали нещо отблъскващо в този контекст (фиг.2c).

Допълнителна подкрепа за хипотезата за разпределение към връзката беше получена чрез манипулиране на специфичната фракция от споделени неврони за две памети. Тези проучвания първо показаха, че споделен ансамбъл от амигдала кодира два слухови спомена за страх, които са придобити близо във времето (в рамките на 6 часа) и че тези спомени са свързани. Изследователите демонстрираха специфичната роля на такива споделени невронни ансамбли, като ги заглушиха, което повлия на поведенческото взаимодействие на две задачи, зависими от амигдалата, но не пречи на извличането на отделни задачи47.

Хипотезата за разпределение към свързване предполага, че CREB-зависимото увеличение на възбудимостта увеличава вероятността една клетка да се възбуди по време на временно близко кодиране на други спомени, като по този начин свързва спомените чрез подобряване на тяхната синаптична свързаност. Както беше отбелязано, CREB-зависимите увеличения на възбудимостта са нехомеостатични. По този начин съществува загриженост, че това повишаване на възбудимостта може да подобри LTP и че потенцираните реакции могат да направят по-вероятния последващ LTP, което потенциално води до бързо потенциране. Въпреки това, синаптичната сила е наситена4849 и полученото ограничение на LTP може да премахне опасенията за неуспешно възбуждане.

Хипотеза за консолидация на сглобяване

Many cells may represent similar information (for example, a place in the environment). During learning, these cells will fire together, and connections among them will be strengthened, thereby forming a stable memory ensemble. We now know that this strengthening will fade unless synapses undergo additional changes after learning, in a process termed consolidation. These consolidation processes, which include stabilization of synapses that were potentiated during learning (synaptic consolidation)and transfer of information from the hippocampus to the cortex(systems consolidation), occur during periods of rest and sleep that follow the learning events. During these periods,100-ms-long events termed sharp-wave ripples(SWRs) take place in the hippocampus. Analysis of neural firing patterns during SWRs shows that they replay recent memory>0-2. Това повторение е от решаващо значение за формирането на стабилна памет, тъй като специфичното прекъсване на SWR води до силни дефицити на паметта53-55. Изглежда вероятно, че участието на неврон в SWRs ще бъде засилено от увеличаване на възбудимостта (виж също реф. 3). Това ни кара да предположим, че друга функция на CREB-зависимото повишаване на възбудимостта е да подобри консолидацията, необходима за формиране на стабилна памет.

Механизми и селективност на активирането на CREB

Ако CREB има важна роля в разпределението и консолидирането на паметта, неговото активиране трябва да бъде до голяма степен ограничено до клетки, които са участвали в обучението и трябва да бъдат включени в паметов ансамбъл. Потенциалите за действие не са надеждна индикация за събития, свързани с обучението, тъй като те могат да бъдат резултат от активността на преди това потенцирани синапси.

По подобен начин LTP събитията в синапса не са надежден индикатор, че клетката трябва да бъде част от нов ансамбъл, тъй като LTP може да се появи в дендритен клон без соматични натриеви пикове 57, 58. Създаването на клетъчен огън и по този начин възможността за включване в ансамбъл може да изисква множество клонове да бъдат подложени на синаптична пластичност. Следователно може да е желателно CREB да бъде преференциално активиран, когато има както събития на обучение в дендрита, така и достатъчно силна деполяризация, за да предизвика изстрелване. Следователно трябва да се отбележи, че има значителна сложност в пътищата, които водят до CREB-зависимо активиране (фиг. 3): калмодулин киназна каскада свързва соматични потенциали за действие към CREB активиране 59, 60, докато ERK дифузията от дендрит към сома свързва синаптичната пластичност към CREB активиране61. Една интригуваща възможност е, че тези пътища извършват биохимичните изчисления, необходими за маркиране на тези клетки, които трябва да бъдат включени в ансамбъл.

Ефекти от цистанче и продукти от цистанч: подобряват паметта и способността за учене

Дискусия

В областта на обучението и паметта липсва съгласувана представа защо и как паметта зависи както от специфичните за синапса промени в синаптичната сила, така и от глобалните промени в невронната функция. Последните технологични постижения позволиха безпрецедентна визуализация и контрол на верижните процеси, лежащи в основата на паметта, и получените открития подкрепят мнението, че възникват глобални промени в възбудимостта и имат критичен принос за паметта. Тези наблюдения оспорват стандартните модели, които приписват функцията на паметта единствено на синаптичната модификация. Ние представяме две хипотези за специфичната роля на CREB-зависимите промени в глобалната възбудимост в паметта, които надхвърлят традиционните възгледи; единият (allocate-to-link) вече има директна поддръжка, докато другият (модел за консолидация на ансамбъл) е изграден върху експериментални наблюдения, но все още не е директно тестван. Въпреки концептуалните разлики между тези модели, те споделят широк поглед върху цялостния процес на паметта – изглед, който включва събития по време на кодиране и консолидиране и по този начин надхвърля процесите, които са пряко отговорни за крайното съхранение на паметта. В модела allocate-to-link, CREB-зависимите промени в възбудимостта добавят изцяло нова функционалност към системата на паметта: способността на една памет в рамките на времева рамка да се асоциира избирателно с други спомени в същата времева рамка. В модела на консолидация на сглобяване добавената функционалност е подобряването на консолидацията – подобрение, което е специфично за клетките за проследяване на паметта и в крайна сметка е необходимо за формирането на стабилен ансамбъл.

Нито един от предложените модели не предполага, че транскрипционните промени всъщност са в основата на самото съхранение на паметта и по този начин тези модели са в съответствие с преходния характер на CREB промените и ученето и LTP. Това е важен момент, тъй като често се предполага, че транскрипционното превключване може да позволи по-стабилно съхранение на дългосрочна памет от синаптичните превключватели, които зависят само от пост-транслационни процеси. Подчертаваме, че данните за CREB не подкрепят това предложение; въпреки че CREB-зависимата транскрипция изглежда необходима за формирането на стабилни спомени (по-специално в модела на консолидация на ансамбъла), тя сама по себе си не е стабилен механизъм за съхранение на информация и следователно не може да медиира дългосрочната памет. Тази важна функция може да разчита на стабилни промени в синапса (но виж справки, 62, 63) или на свързани с обучението транскрипционни промени, различни от тези, медиирани от CREB64, 65 (за потенциалната полезност на хипотетичните дългосрочни промени във възбудимостта, вж. справка 66).

В обобщение, ние твърдим, че всеки общ модел на системата на паметта сега трябва да включва както постоянни промени в синапсите, така и преходни промени в глобалната възбудимост. Такива двойни механизми не трябва да се разглеждат като противоречиви. По-скоро CREB-зависимите транскрипционни промени функционират за насърчаване на стабилни синаптични модификации по начин, който създава полезни времеви връзки.

Ефекти от цистанче и продукти от цистанч: подобряват паметта и способността за учене

Препратки

1. Хеб, DO. Организацията на поведението: невропсихологична теория. Wiley; Ню Йорк: 1949 г.

2. Bliss TV, Collingridge GL. Синаптичен модел на паметта: дългосрочно потенциране в хипокампуса. Природата. 1993 г.; 361: 31-39. [PubMed: 8421494]

3. Bliss TVP, Collingridge GL. Експресия на NMDA рецептор-зависим LTP в хипокампуса: преодоляване на разделението. Mol Brain. 2013; 6:5. [PubMed: 23339575]

4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA рецептори, клетки на място и хипокампална пространствена памет. Nat Rev Neurosci. 2004 г.; 5: 361-372. [PubMed: 15100719]

5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Автофосфорилиране при Thr286 на алфа калциево-калмодулин киназа II в LTP и обучение. Наука. 1998 г.; 279: 870-873. [PubMed: 9452388]

6. Rossetti T, et al. Експериментите с изтриване на паметта показват критична роля на CAMKII съхранението в паметта. неврон. 2017 г.; 96: 207-216. [PubMed: 28957669]

7. Лий YS, Силва AJ. Молекулярната и клетъчната биология на подобреното познание. Nat Rev Neurosci. 2009 г.; 10: 126-140. [PubMed: 19153576]

8. Nabavi S, et al. Инженеринг на памет с LTD и LTP. Природата. 2014 г.; 511: 348-352. [PubMed: 24896183]

9. Matsuzaki M, Honkura N, Ellis-Davies GCR, Kasai H. Структурна основа на дългосрочно потенциране в единични дендритни шипове. Природата. 2004 г.; 429:761-766. [PubMed: 15190253]

10. Хопфийлд Дж. Невроните с градирани отговори имат колективни изчислителни свойства като тези на невроните с две състояния. Proc Natl Acad Sci САЩ. 1984 г.; 81: 3088-3092. [PubMed: 6587342]

11. Morris RGM, et al. Елементи на невробиологична теория на хипокампуса: ролята на зависимата от активността синаптична пластичност в паметта. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003 г.; 358:773-786. [PubMed: 12744273]

12. Castellucci V, Kandel ER. Пресинаптичното улеснение като механизъм за поведенческа сенсибилизация в Aplysia. Наука. 1976 г.; 194: 1176-1178. [PubMed: 11560]

13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Серотонинът и цикличният AMP затварят единични K плюс канали в сензорните неврони на Aplysia. Природата. 1982 г.; 299:413-417. [PubMed: 6289122]

14. Алкон Д.Л. Промени в мембранните токове по време на обучение. J Exp Biol. 1984 г.; 112:95-112. [PubMed: 6150967]

15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Специфични за кондициониране мембранни промени на заешки хипокампални неврони, измерени in vitro. Proc Natl Acad Sci САЩ. 1986 г.; 83: 2733-2737. [PubMed:3458232]

Ефекти от цистанче и продукти от цистанч: подобряват паметта и способността за учене