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 ДП_П. 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 ДП_р. 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 ДП_П.
Очевидно, однако, что просто разовым синтезом белков с новой структурой нельзя объяснить закрепление ДП_П. 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 ДП_П 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 ДП_П.
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 ДП_П 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 ДП_П, 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 ДП_П 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 ДП_П 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 n^m 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 5-10^й 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.