Нейроны получают эпигенетические метки при формировании ассоциативной памяти
|
Крысы обучают друг друга узнавать безопасную еду. Этот навык, связанный с ассоциативной памятью, может сохраняться у животного до конца жизни. Но прежде чем воспоминание о единожды полученном опыте окончательно закрепится, оно проходит поэтапную обработку в коре головного мозга и гиппокампе. Исследования, проведенные на крысах, показали, что хотя для кратковременного запоминания запаха еды необходима работа гиппокампа, долговременная память полностью зависит от работы коры. При этом в коре и гиппокампе выделяются группы клеток, кодирующих информацию о конкретном воспоминании, и эти клетки подвергаются изменениям на эпигенетическом уровне.
Общественные животные с развитым чувством обоняния, такие как крысы, могут передавать друг другу информацию о безопасности той или иной пищи (социально обусловленная передача пищевых предпочтений). Крыса, не знакомая с какой-то разновидностью еды, может прийти к выводу о ее доброкачественности, если услышит запах этой еды в дыхании другой, только что поевшей, крысы. После такого знакомства она выказывает гораздо меньше страха при первом предъявлении этой новой для нее еды. Подобное научение связано с долговременной памятью.
Известно, что ассоциативная память, которую используют крысы при обучении у своих более опытных собратьев, формируется при участии гиппокампа, причем это участие длится только ограниченное время. При формировании ассоциации два одновременных прежде несвязанных стимула приводят к возбуждению глазнично-лобных участков коры головного мозга (ГЛК), которые отвечают за обработку обонятельной информации. Общепринятая гипотеза формирования памяти гласит, что гиппокамп «индексирует» эти возбуждения и формирует соответствующие нейронные связи. После формирования ассоциации, она постепенно упрочняется благодаря повторяющейся скоординированной реактивации гиппокампа и ГЛК. В результате сила связи между этими участками коры и ее устойчивость увеличиваются. По мере того как воспоминания «созревают» (процесс, занимающий дни или недели), роль гиппокампа как посредника между участками коры уменьшается, и, по-видимому, в итоге функция сохранения и вызова сохраненного воспоминания целиком остается за ГЛК.
Сотрудники Института нейродегенеративных заболеваний при Университете Бордо во Франции (Institut des Maladies Neurodegeneratives), исследовавшие работу нейронных сетей коры и гиппокампа при консолидации воспоминаний (переходе кратковременной памяти в долговременную), обнаружили, что нейроны в коре головного мозга, участвующие в формировании памяти, получают специфические метки на эпигенетическом уровне (то есть этот процесс сопровождается изменениями в работе генов, не связанными с изменениями последовательности ДНК).
В экспериментах, поставленных исследователями, крысы-«наблюдатели» обучались узнавать запах безопасной пищи за 30 минут взаимодействия с крысами-«демонстраторами», накормленными этой пищей до эксперимента. Крыс-демонстраторов в течение трех дней до начала эксперимента кормили пищей, приправленной кумином (зирой) или порошком какао. На время обучения крыс-демонстраторов и крыс-наблюдателей помещали в одну клетку, где наблюдатели могли познакомиться с запахом приправы в дыхании крыс-демонстраторов. Чтобы измерить пищевые предпочтения крыс-наблюдателей, через 1, 7, 15 или 30 дней (в разных вариантах эксперимента по-разному) им предлагали на выбор две миски с едой — одну с ароматом кумина/какао, а другую с ароматом тимьяна/корицы. Через 20 минут оставшуюся еду убирали и взвешивали, определяя, какой процент знакомой еды по отношению ко всей предложенной еде был съеден. Необученные крысы чаще выбирают тимьян/корицу, однако после однократного обучения до 80% съеденной крысами еды приходилось на еду, ароматизированную кумином/какао.
|
У крыс социальная передача пищевых предпочтений, в отличие от многих других видов научения (например, ориентирования в пространстве), происходит очень быстро — после единственного взаимодействия между крысами — и сохраняется в долговременной памяти без дополнительных повторений. Именно это позволило исследователям анализировать процесс формирования отдельных воспоминаний и блокировать его на определенных стадиях.
Для того чтобы установить, какие участки мозга — гиппокамп или глазнично-лобная кора — работают на разных этапах консолидации воспоминаний, активность этих зон обратимо блокировали инъекциями тетродотоксина или антагониста AMPA-рецептора (CNXQ). Блокировка работы гиппокампа в течение 12 дней после обучения приводила к тому, что результаты обучения не закреплялись у крыс и на 30-й день крысы не воспринимали еду, ароматизированную кумином, как знакомую, что подтвердило более ранние исследования о роли гиппокампа в консолидации воспоминаний. Однако блокировка гиппокампа с 15-го по 27-й день эксперимента не приводила к такому эффекту. Блокировка глазнично-лобной коры в обоих случаях (с 1-го по 12-й день и с 15-го по 27-й день) снижала эффективность обучения.
|
Эти данные свидетельствуют о том, что работа гиппокампа важна в начале, а работа коры — в течение всего времени консолидации воспоминаний. Дополнительное подтверждение этого вывода было получено на клеточном уровне: в начале консолидации воспоминаний в клетках гиппокампа повышался уровень белка c-fos, который производится в активно работающих нейронах, а к 30-му дню после обучения его уровень падал. В клетках ГЛК этого не происходило, и уровень c-fos продолжал увеличиваться к 30-му дню. Также активной работе той или иной области мозга сопутствовал рост нейронных отростков после обучения, который не происходил, если область мозга была блокирована.
Чтобы убедиться, что инъекции CNXQ не вызывают постоянного повреждения мозга (что могло бы объяснить пониженную эффективность обучения), ученые провели дополнительный аналогичный эксперимент на социальную передачу предпочтений в еде, но с другой парой запахов (какао и корица вместо кумина и тимьяна соответственно). Если бы крысы страдали от повреждений областей мозга после первого эксперимента, они бы не смогли справиться с этим заданием, однако этого не случилось, то есть способность к формированию устойчивых воспоминаний восстанавливалась у животных после прекращения инъекций.
Но как гиппокамп определяет, какие конкретно нейроны несут информацию о пережитом опыте, воспоминания о котором в данный момент проходят консолидацию?
Считается, что нейроны гиппокампа связаны с нейронами коры таким образом, что кора «проецируется» на гиппокамп. Также известно, что синапсы активированных нейронов получают молекулярные «метки» в течение нескольких часов после активации. Авторы статьи предположили, что после знакомства крысы с новым запахом некоторая популяция нейронов оказывается ассоциирована с этим воспоминанием. Впоследствии эта группа нейронов синхронно активируется внутри нейронной сети гиппокампа и коры во время консолидации памяти. Чтобы проверить эту гипотезу, авторы провели три эксперимента.
Они инактивировали глазнично-лобную кору крыс-наблюдателей непосредственно перед обучением. При этом результаты обучения сохранялись в кратковременной памяти крыс (до 7 дней), но не сохранялись в долговременной (30 дней). Из этого следует, что именно активность ГЛК была необходима для долгого хранения воспоминаний, несмотря на то что начало формирования воспоминания зависит от гиппокампа.
Поскольку крысы способны удерживать в памяти сотни разных запахов, можно предположить, что каждое воспоминание обеспечивается отдельной популяцией нейронов. Чтобы проверить это предположение, экспериментаторы последовательно обучали крыс узнавать два разных запаха (какао и кумина). Таким образом, животные должны были сформировать два независимых воспоминания, каждое из которых локализуется в глазнично-лобной коре. Первый этап обучения, в ходе которого крысы-демонстраторы получали пищу с какао, проводили по обычной методике, а перед второй (в которой крысы знакомились с запахом кумина) у животных блокировали работу ГЛК. В результате через 30 дней запах какао крысы вспоминали. При этом воспоминания о запахе кумина не сохранялись, что подтверждает гипотезу о специфичных и независимых популяциях нейронов, вовлеченных в узнавание каждого запаха.
Ранее было показано, что у мышей память о пережитом страхе и запоминание новых типов пищи зависит от ацетилирования гистонов, которое, в свою очередь должно вести к реорганизации ДНК в клетке и изменениям в транскрипции генов.
Гистоны — ядерные белки, необходимые для упаковки и компактизации ДНК. Модификации отдельных аминокислот в гистонах путем присоединения к ним метильных или ацетильных групп — важный механизм эпигенетической регуляции, так как они меняют доступность ДНК для считывающих информацию ферментов и, таким образом, регулируют транскрипцию определенных генов, закодированных в окрестности модифицированного гистона. Ацетилирование гистонов, то есть присоединение ацетильной группы, обычно приводит к активации транскрипции, а ди- и три-метилирование — к ее репрессии.
Авторы обсуждаемой статьи исследовали, насколько этот биохимический путь важен для консолидации воспоминаний о социальной передаче пищевых предпочтений. Окрашивая ГЛК специфическими антителами, они обнаружили, что при формировании воспоминания о новом запахе происходит ацетилирование белка-гистона H3, которое, по-видимому, и служит «меткой» для нейронов, задействованных в узнавании запаха. Ацетилирование Н3, в свою очередь, зависит от сигнального каскада ERK-киназ и митогенных и стресс-зависимых киназ. При блокировке этих сигнальных путей, ацетилирование гистонов не происходило, и воспоминание не формировалось. Активация ацетилирования гистонов с помощью бутирата натрия или трихостатина А, ингибиторов деацетилазы, наоборот, увеличивало эффективность обучения (но только при использовании их сразу после обучения).
Описанная работа прокладывает дорогу двум важным идеям: 1) что в основе механизма консолидации воспоминаний лежат молекулярные метки задействованных нейронов и 2) что природа этих меток может быть эпигенетической. Ученым еще предстоит выяснить, каким образом взаимодействуют два механизма, один из которых (сохранение воспоминания) оперирует на уровне генома клетки, а другой (распознавание задействованного нейрона) — на уровне отдельного синапса.
Источник: Edith Lesburgueres, Oliviero L. Gobbo, Stephanie Alaux-Cantin, Anne Hambucken, Pierre Trifilieff, Bruno Bontempi. Early Tagging of Cortical Networks Is Required for the Formation of Enduring Associative Memory // Science. 18 February 2011. V. 331. P. 924–928. Doi: 10.1126/science.1196164.
