Механизмы долговременной памяти

Физиологические механизмы долговременной памяти не могут базироваться на циркуляции импульсов или изменениях электрофизиологических характеристик отдельных нейронов. При различных воздействиях на организм (гипоксия, наркоз, охлаждение, электрошок) разрушаются кольцевые реверберационные связи, и снижается возбудимость нейронов. Но при этом огромное количество информации сохраняется в долговременной памяти в неизменном виде.

Долговpеменную память нельзя связать с увеличением количества нейронов, поскольку они не способны к воспроизведению. Однако их аксоны могут медленно удлиняться, если впеpеди есть свободное пpостpанство, и обpазовывать дополнительные синапсы. Одновpеменно с этим могут дополнительно ветвиться дендpиты, обpазуя дендpитные шипики и маленькие волосковые выступы. Благодаpя таким стpуктуpным изменениям пpоисходит обpазование новых синапсов или pеактивный синаптогенез. Чем богаче жизненный опыт pастущих животных, тем большим у них становится объем тех или иных отделов коpы, пpичем пpиpост связан с клетками нейpоглии.

Согласно анатомической теории запоминание и хранение информации осуществляется за счет образования новых терминальных волокон, изменения их размеров, развития шипикового аппарата на дендритах нейронов. Такие структурные изменения предполагают увеличение темпа синтеза белка в нейронах. Действительно, давно и точно установлено, что блокирование процессов транскрипции в нейроне, нарушение синтеза РНК и белка полностью блокирует консолидацию и формирование энграммы памяти. Следует обратить внимание на один важный факт: в подавляющем большинстве соматических клеток экспрессируется не более 7% генома, а в клетках ЦНС, особенно в нейронах коры головного мозга до 25%, а в некоторых отделах до 38%. Это свидетельствует о том, что возможности для синтеза белков у нейронов больше, а белки разнообразнее. Естественно, никаких новых белков, кроме закодированных в структурах ДНК, синтезироваться не может. Что же это за белки? Сразу следует сказать о том, что далеко не для всех синтезируемых в процессе консолидации белков установлена их функциональная роль. Есть, например, белок, получивший название S-100, этот и ряд других белков пока не «получили» своего назначения, хотя их концентрация значительно увеличивается в процессе формирования энграммы памяти. Предполагается их участие в фосфорилировании других белков, модулировании рецепторного ответа. Остановимся на тех белках, значение которых более понятно.

Во-первых, это структурные белки нейронов, синтез которых приводит к увеличению количества и размеров шипиков на нейронах, а значит и установлению более прочных межнейроных связей. В экспериментах на животных показано, что в коре головного мозга детенышей, выращенных в сенсорно обедненной среде, нейроны менее ветвистые, у них меньше дендритов, меньше шипиков, да и толщина коры в целом значительно уступает коре сверстников, выращенных в нормальных условиях.

Во-вторых, это рецепторные белки и белки ионных каналов. Вернемся еще раз к глутаматным рецепторам. Оказывается, они принимают участие не только в механизмах кратковременной памяти – установлено, что при обучении активируется синтез этих рецепторов и увеличивает их число на постсинаптической мембране.

В-третьих, это регуляторные белки. Например, нейрогормон АКТГ приводит к фосфориллированию ряда мембранных белков (В-50) и стойкому снижению мембранного потенциала покоя, определяя тем самым длительное повышение возбудимости нейронов. Запоминание улучшается в присутствии вазопрессина, ангиотензина, а окситоцин, наоборот, нарушает долговременную память.

Наконец, это медиаторные белки, синтез которых всегда увеличивается в процессе запоминания. Например, установлено, что повышение концентрации норадреналина в структурах ЦНС ускоряет обучение в случае использования отрицательного подкрепления, а серотонин – в случае положительного. Кроме того, есть еще один механизм, повышающий эффективность работы синапсов – установлено, что в нейронах различных областей ЦНС не только увеличивается количество ацетилхолина, но и возрастает активность холинэстеразы. Следовательно, повышается функциональная лабильность синапса и частота проведения импульса.

Велика, как выяснилось, роль ионов кальция в механизмах долговременной памяти. Ионы кальция не только деполяризуют мембрану, что отражается в процессе посттетанической потенциации, но и изменяют метаболизм нейронов. Накопление ионов кальция в цитоплазме нейронов приводит к двум важным последствиям. 1. Ионы кальция, активируя специфическую протеинкиназу, увеличивают чувствительность мембранных рецепторов. 2. Под действием ионов кальция происходит фосфориллирование регуляторных белков хроматина, следовательно, увеличивается доступ к ДНК, и вновь процессы синтеза белка.

Рисунок 7

На рисунке представлены механизмы участия ионов кальция в долговременной потенциации – блокирование калиевых каналов, и долговременной памяти – активация синтеза РНК, синтез протеинкиназ и изменение количества мембранных рецепторов.

Существует глиальная теория долговременной памяти. Эта теория основывается на изменениях глиальных клеток, которые окружают нейроны и могут синтезировать особые вещества, облегчающие синаптическую передачу или повышающие возбудимость соответствующих нейронов. Нейpоглия обеспечивает необходимое питание нейpонов и напpавляет pост их аксонов. Кpоме того, она обpазует миелиновое покpытие неpвных волокон, что повышает эффективность передачи возбуждения по наиболее часто используемым путям. Установлено, что изменения электpических потенциалов, возникающие в нейpонах, pождают потенциалы и в клетках глии.

Кроме того, известно, что глия способствует более быстрому восстановлению мембранного потенциала нейрона, следовательно, увеличивается его функциональная лабильность. Как видим, и эта гипотеза требует синтеза новых структурных компонентов. Действительно, экспериментально доказано, что обогащение среды, в которой происходит рост животного, увеличивает и скорость миелинизации нервных волокон, и толщину миелинового слоя. Таким образом, существует зависимость между обогащением жизненного опыта и моpфологическими изменениями в наиболее активно используемых стpуктуpах мозга.

Интересна гипотеза об иммунохимическом механизме долговременной памяти. Автор этой гипотезы И.П. Ашмарин считает, что при длительной реверберации импульса в нейронной ловушке на синаптических мембранах синтезируются антигены, а в глиальных клетках антитела к ним. Следовательно, появляется дополнительный механизм контакта между нейронами и глиальными клетками.