Разкриха какъв е механизмът на дълготрайната памет

Дори в напреднала възраст запазваме много ярки и трайни спомени за – понякога много кратки – моменти от ранното ни детство. Въпреки че тези спомени несъмнено са част от т.нар. дълготрайна памет, остава неясно как точно мозъкът успява да съхрани тази подробна информация за много дълъг период от време. Биолози от Медицинския колеж „Алберт Айнщайн“ сега дават някои отговори.

Някои аспекти на клетъчната основа на паметта са вече известни. Знаем, че спомените се създават от нервните клетки (неврони) и след това се съхраняват в област от мозъка, наречена хипокампус. Те се формират, когато многократното стимулиране на невроните укрепва връзките между тях (синапсите). Дълготрайните спомени изискват особено силни синаптични връзки; те се стабилизират от специфични протеини, кодирани от така наречените непосредствени ранни гени (IEG).

IEG са гени, които се активират бързо и краткотрайно в отговор на широк спектър от клетъчни стимули. Въпреки това все още не е известно по какъв начин IEG успяват да запазят дългосрочна памет въпреки бързия оборот на транскрипти и протеини.

„Парадоксът се състои в това, че формирането на дългосрочната памет отнема много време – няколко часа – докато мРНК и протеините, свързани с производството на необходимите протеини, изчезват за по-малко от час“, отбелязва д-р Сулагна Дас, доцент в катедрата по клетъчна биология и главен автор на изследването.

В опит да хвърлят светлина върху този процес Дас и колегите му изследват дългосрочната динамика на гените след невронна стимулация при лабораторни мишки. Те са разработели специален модел за мишка, при който всички мРНК молекули на гена Arc са флуоресцентно маркирани. Генът Arc е IEG, който участва в различните форми на синаптична пластичност и играе важна роля в трансформирането на нашия опит в дългосрочни спомени.

Екипът е стимулирал синапсите в мишите хипокампални неврони и след това, използвайки техники за визуализация с висока резолюция, е визуализирал динамиката на мРНК на Arc в режим на реално време в отделни неврони както в култури, така и в мозъчни тъкани.

Неочаквано изследователите откриват, че един-единствен импулс на стимулация е достатъчен, за да предизвика няколко цикъла на транскрипционна реактивация в един и същ неврон – цикли, при които генът Arc, който кодира паметта, произвежда мРНК молекули, които след това се трансформират в протеини Arc, укрепващи синапса.

По този начин новите Arc протеини влизат в положителна саморегулираща се обратна връзка, за да рестартират транскрипцията.

„Някои от протеиновите молекули, произведени от този първоначален синаптичен стимул, се връщат към Arc и го активират отново, като започват друг цикъл на образуване на мРНК и производство на протеини, последван от още няколко“, обяснява д-р Робърт Сингър, директор на Програмата за биология на РНК в колежа „Алберт Айнщайн“ и съавтор на изследването.

Този цикъл на обратна връзка, който позволява формирането на дългосрочни спомени, досега не е бил известен.

Екипът отбеляза още, че Arc mRNA, генерирани от тези последователни цикли, се локализират предимно в местата, маркирани с предишния Arc протеин, като по този начин образуват транслационни „горещи точки“ по протежение на дендритите, формирайки локални центрове за Arc протеина. С течение на времето тези „центрове“ се поддържат от последващите цикли на синтез, локализация и транслация на мРНК.

„Тези цикли на взаимодействие между транскрипция и транслация подпомагат експресията на протеина и осигуряват механизъм, чрез който краткосрочно събитие може да е съхрани в дългосрочната памет“, обобщават изследователите в списание Neuron.

Д-р Сингър дава пример със заучаването на стихотворение. Той обяснява, че за да запомните стихотворение за дълго време, първо трябва да го прочетете няколко пъти. Всяко ново четене може да се разглежда като периодичен стимул, всеки от които ще добавя нови протеини за обратна връзка към синапса – за изграждане и укрепване на паметта.

„Способността да се усвоява нова информация и да се съхранява за дълъг период от време е една от най-забележителните характеристики на мозъка“, казва той.

За съжаление този невероятен механизъм понякога не функционира правилно. Д-р Дас отбелязва, че дефектната експресия на гена Arc се свързва с нарушения на паметта при хората, както и с неврологични разстройства като разстройствата от аутистичния спектър, шизофренията и болестта на Алцхаймер. По-доброто разбиране на молекулярните функции на този ген, по-специално на реакцията му към стимулацията на нервните клетки, може да помогне за идентифициране на причините за тези нарушения.

Да напомним, че наскоро бе открита уникална форма на обмен на съобщения между клетките в човешкия мозък, която не е била наблюдавана досега. Откритието показва, че нашият мозък може да е много по-мощно изчислително устройство, отколкото сме предполагали.

Мозъкът – особено човешкият – често се сравнява с компютър. Аналогията, разбира се, е много ограничена, но на някои нива те наистина изпълняват сходни задачи. И двата използват електрическо напрежение, за да извършват различни операции.

В компютрите това става чрез преминаване на електрони в транзисторите. В невроните сигналът се предава като вълна от отварящи се и затварящи се канали, които обменят заредени частици като натрий, хлор и калий. Този импулс от протичащи йони се нарича потенциал на действие.