Продемонстрировано увеличение синтеза ДНК в коре головного мозга крысы под влиянием психотропного препарата (пирацетама), который применяется в клинике для лечения больных, страдающих нарушением памяти.
Недостаток многих гипотез о молекулярных механизмах памяти состоит в том, что авторы не учитывают наличие в клетках
160
эукариотов не одного, а многих типов ДНК. В ядре клетки имеется ядерная ДНК, включающая генетическую ДНК, сателлитная ДНК и ДНК ядерной оболочки. В платоплазме выделяют цитоплазмати-ческую (свободно плавающую) ДНК и ДНК клеточных органелл, среди них ДНК митохондрий (Тушмалова Н.А., 1990). Из всех типов ДНК наиболее изучена ядерная, генетическая ДНК.
По гипотезе Н.А. Тушмаловой, функция хранения генетической информации закреплена за стабильной (высокомолекулярной) ядерной ДНК. Кодирование же приобретенной информации выполняется лабильной (низкомолекулярной) сателлитной ДНК ядра, которую характеризует непрочная связь с белком. Кроме того, для сателлитной ДНК как кандидата на хранение приобретенной памяти характерно высокое содержание метилированных групп, число которых особенно возрастает с обучением.
В своей гипотезе о параллельном кодировании врожденной и приобретенной памяти на разных типах ДНК (стабильной и лабильной) Н.А. Тушмалова основывается на сходстве некоторых биохимических реакций в онто- и филогенезе; экспериментальных данных о химической гетерогенности ДНК; существовании обратной связи в триаде ДНК — РНК — белок (обратной транскрипции).
Успешность обучения во многом зависит от сохранности операций, совершаемых на клеточном уровне, которые кодируются в генетической ДНК. Генетические исследования на плодовой мушке Drosophila показали зависимость их обучения от синтеза адени-латциклазы. Обнаружены моногенные мутанты Drosophila, у которых нарушено обучение. Оно тестировалось по выработке условного оборонительного рефлекса избегания специфического запаха после его подкрепления ударом тока. У одного такого мутанта имелся дефектный ген — rutabaga, кодирующий аденилатциклазу, зависимую от комплекса кальция с калъмодулином. В результате такой мутации аденилатциклаза утратила способность активироваться комплексом кальция с кальмодулином. У Drosophila аденилатциклазой богаты особые отделы мозга (грибовидные тела), имеющие важное значение для некоторых типов ассоциативного обучения. У молодых мушек в грибовидном теле быстро растет число новых нейронов, что связывают с накоплением опыта в процессе обучения. Хирургическое разрушение грибовидного тела у древесных муравьев нарушает основы их «социального поведения». Другой мутант Drosophila — dunce («тупицы») обучается, но обладает поразительно короткой памятью в несколько десятков секунд. Оказалось, что мутация затронула у него фосфодиэстеразу, расщепляющую цАМФ, что приводило к увеличению содержания этого вещества. Видимо,
161
11-462
слишком большие и слишком малые концентрации цАМФ препятствуют закреплению следов памяти. У всех мутантов с нарушением ассоциативного обучения нарушен и процесс сенситизации. Очевидно, что существует большое сходство механизмов пластичности у Drosophila и у моллюска, они одинаково используют ней-ромедиатор, выполняющий модулирующую функцию, и фосфо-рилирование белков для получения более стойкого эффекта.
Способность мясной мухи и Drosophila к обучению наследуется, что доказывается опытами со скрещиванием. Для выведения особей, способных и неспособных к обучению, для скрещивания соответственно отбирали из быстро и медленно обучающихся. Отбор способных мух к выработке условного рефлекса на сладком подкреплении (втягивание хоботком сладкой воды) показал, что только к 24-му поколению прекращается рост кривой эффективности выработки условного рефлекса по мере выведения все более способных к обучению особей. В связи с тем что процесс роста эффективности обучения идет медленно — только к 24-му поколению, — говорят не об одном, а о многих генах, определяющих обучаемость. В то же время формирование пластичности по типу сенситизации у мясной мухи определяется одним геном. Кривая эффективности обучения выходит на плато уже через одно поколение.
Таким образом, успешность обучения зависит от сохранности набора генов, опосредующих обучение, а ген сенситизации — один из участников генетического пула, управляющего обучением.
Все биохимические и молекулярные преобразования, вызываемые обучением, в конечном счете ведут к синаптической реорганизации — увеличению размеров, количества активно работающих синапсов. Существуют две гипотезы относительно изменений синаптических контактов под влиянием обучения: функциональная и структурная. Согласно функциональной теории обучение не изменяет число синапсов. Оно остается постоянным, но при этом увеличивается отношение активных синапсов к пассивным. По структурной гипотезе обучение стимулирует образование новых контактов между нейронами, которые не берутся из резерва, а создаются заново.
Основные модификации, наблюдаемые в процессе обучения на клеточном уровне и ведущие к структурным преобразованиям контактов между нейронами, по результатам исследования С. Роу-за (1995) отражены на рис. 38. Изучая обучение у цыплят (избегание клевания горькой бусинки), он выделил несколько уровней преобразований в клетке, которые сохраняются в течение разных отрезков времени — на разных этапах жизни энграммы.
162
Глутамат
«Ретроградный» сигнал
c-fos
Поздние» гены .РНК
'»!•*' 3——Белок Гликопротеин
Фосфопротеин
Рецептор
i «Поздние» гены
Рис. 38. Основные молекулярные и структурные модификации нейрона, возникающие в процессе обучения.
Показан каскад биохимических реакций в синапсе и ядре в процессе формирования памяти (по С. Роузу, 1995).
В течение секунд и минут сохраняются изменения, вызываемые стимулом в NMDA-рецепторах, отвечающих на глутамат, а также в мускариновых рецепторах, чувствительных к АХ. Сохранение следового эффекта в течение минут или часов определяется действием киназ, которые фосфорилируют пресинаптические белки ионных каналов, а также последующей экспрессией ранних генов (c-fos, c-jun). Время сохранения памяти от 1 до 6 ч связывают с синтезом новых белков — глюкопротеинов в результате экспрес-
163
сии поздних генов. Глюкопротеины создают структурные изменения, встраиваясь в пресинаптические и постсинаптические участки мембран. Период 12—24 ч связан с образованием дополнительных шипиков, увеличением их диаметра и площади постсинапти-ческих уплотнений, которые выявляются с помощью электронного микроскопа. Постсинаптические уплотнения образованы плотно пригнанными рецепторами.
Глава 7 ЭМОЦИИ
7.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122
Недостаток многих гипотез о молекулярных механизмах памяти состоит в том, что авторы не учитывают наличие в клетках
160
эукариотов не одного, а многих типов ДНК. В ядре клетки имеется ядерная ДНК, включающая генетическую ДНК, сателлитная ДНК и ДНК ядерной оболочки. В платоплазме выделяют цитоплазмати-ческую (свободно плавающую) ДНК и ДНК клеточных органелл, среди них ДНК митохондрий (Тушмалова Н.А., 1990). Из всех типов ДНК наиболее изучена ядерная, генетическая ДНК.
По гипотезе Н.А. Тушмаловой, функция хранения генетической информации закреплена за стабильной (высокомолекулярной) ядерной ДНК. Кодирование же приобретенной информации выполняется лабильной (низкомолекулярной) сателлитной ДНК ядра, которую характеризует непрочная связь с белком. Кроме того, для сателлитной ДНК как кандидата на хранение приобретенной памяти характерно высокое содержание метилированных групп, число которых особенно возрастает с обучением.
В своей гипотезе о параллельном кодировании врожденной и приобретенной памяти на разных типах ДНК (стабильной и лабильной) Н.А. Тушмалова основывается на сходстве некоторых биохимических реакций в онто- и филогенезе; экспериментальных данных о химической гетерогенности ДНК; существовании обратной связи в триаде ДНК — РНК — белок (обратной транскрипции).
Успешность обучения во многом зависит от сохранности операций, совершаемых на клеточном уровне, которые кодируются в генетической ДНК. Генетические исследования на плодовой мушке Drosophila показали зависимость их обучения от синтеза адени-латциклазы. Обнаружены моногенные мутанты Drosophila, у которых нарушено обучение. Оно тестировалось по выработке условного оборонительного рефлекса избегания специфического запаха после его подкрепления ударом тока. У одного такого мутанта имелся дефектный ген — rutabaga, кодирующий аденилатциклазу, зависимую от комплекса кальция с калъмодулином. В результате такой мутации аденилатциклаза утратила способность активироваться комплексом кальция с кальмодулином. У Drosophila аденилатциклазой богаты особые отделы мозга (грибовидные тела), имеющие важное значение для некоторых типов ассоциативного обучения. У молодых мушек в грибовидном теле быстро растет число новых нейронов, что связывают с накоплением опыта в процессе обучения. Хирургическое разрушение грибовидного тела у древесных муравьев нарушает основы их «социального поведения». Другой мутант Drosophila — dunce («тупицы») обучается, но обладает поразительно короткой памятью в несколько десятков секунд. Оказалось, что мутация затронула у него фосфодиэстеразу, расщепляющую цАМФ, что приводило к увеличению содержания этого вещества. Видимо,
161
11-462
слишком большие и слишком малые концентрации цАМФ препятствуют закреплению следов памяти. У всех мутантов с нарушением ассоциативного обучения нарушен и процесс сенситизации. Очевидно, что существует большое сходство механизмов пластичности у Drosophila и у моллюска, они одинаково используют ней-ромедиатор, выполняющий модулирующую функцию, и фосфо-рилирование белков для получения более стойкого эффекта.
Способность мясной мухи и Drosophila к обучению наследуется, что доказывается опытами со скрещиванием. Для выведения особей, способных и неспособных к обучению, для скрещивания соответственно отбирали из быстро и медленно обучающихся. Отбор способных мух к выработке условного рефлекса на сладком подкреплении (втягивание хоботком сладкой воды) показал, что только к 24-му поколению прекращается рост кривой эффективности выработки условного рефлекса по мере выведения все более способных к обучению особей. В связи с тем что процесс роста эффективности обучения идет медленно — только к 24-му поколению, — говорят не об одном, а о многих генах, определяющих обучаемость. В то же время формирование пластичности по типу сенситизации у мясной мухи определяется одним геном. Кривая эффективности обучения выходит на плато уже через одно поколение.
Таким образом, успешность обучения зависит от сохранности набора генов, опосредующих обучение, а ген сенситизации — один из участников генетического пула, управляющего обучением.
Все биохимические и молекулярные преобразования, вызываемые обучением, в конечном счете ведут к синаптической реорганизации — увеличению размеров, количества активно работающих синапсов. Существуют две гипотезы относительно изменений синаптических контактов под влиянием обучения: функциональная и структурная. Согласно функциональной теории обучение не изменяет число синапсов. Оно остается постоянным, но при этом увеличивается отношение активных синапсов к пассивным. По структурной гипотезе обучение стимулирует образование новых контактов между нейронами, которые не берутся из резерва, а создаются заново.
Основные модификации, наблюдаемые в процессе обучения на клеточном уровне и ведущие к структурным преобразованиям контактов между нейронами, по результатам исследования С. Роу-за (1995) отражены на рис. 38. Изучая обучение у цыплят (избегание клевания горькой бусинки), он выделил несколько уровней преобразований в клетке, которые сохраняются в течение разных отрезков времени — на разных этапах жизни энграммы.
162
Глутамат
«Ретроградный» сигнал
c-fos
Поздние» гены .РНК
'»!•*' 3——Белок Гликопротеин
Фосфопротеин
Рецептор
i «Поздние» гены
Рис. 38. Основные молекулярные и структурные модификации нейрона, возникающие в процессе обучения.
Показан каскад биохимических реакций в синапсе и ядре в процессе формирования памяти (по С. Роузу, 1995).
В течение секунд и минут сохраняются изменения, вызываемые стимулом в NMDA-рецепторах, отвечающих на глутамат, а также в мускариновых рецепторах, чувствительных к АХ. Сохранение следового эффекта в течение минут или часов определяется действием киназ, которые фосфорилируют пресинаптические белки ионных каналов, а также последующей экспрессией ранних генов (c-fos, c-jun). Время сохранения памяти от 1 до 6 ч связывают с синтезом новых белков — глюкопротеинов в результате экспрес-
163
сии поздних генов. Глюкопротеины создают структурные изменения, встраиваясь в пресинаптические и постсинаптические участки мембран. Период 12—24 ч связан с образованием дополнительных шипиков, увеличением их диаметра и площади постсинапти-ческих уплотнений, которые выявляются с помощью электронного микроскопа. Постсинаптические уплотнения образованы плотно пригнанными рецепторами.
Глава 7 ЭМОЦИИ
7.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122