НЕЙРОБИОЛОГИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ: НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ

• 1 слайд

  НЕЙРОБИОЛОГИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ: НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ
  Константин Анохин
  Laboratory of Neurobiology of Memory
  P.K.Anokhin Institute of Normal Physiology
  Russian Academy of Medical Sciences
  "Жизнь - это не те дни, что прожиты, а те, что запомнены."
  Габриель Гарсиа Маркес
  

• 2 слайд

  НЕЙРОБИОЛОГИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ: НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
  Константин Анохин
  Laboratory of Neurobiology of Memory
  P.K.Anokhin Institute of Normal Physiology
  Russian Academy of Medical Sciences
  "Жизнь - это не те дни, что прожиты, а те, что запомнены."
  Габриель Гарсиа Маркес
  

• 3 слайд

  3
  "Оказалось, что память Ш. не имеет ясных границ не только в своем объеме, но и в прочности удержания следов. Опыты показали, что он с успехом - и без заметного труда - может воспроизводить любой длинный ряд слов, данных ему неделю, месяц, год, много лет назад. Некоторые из таких опытов, неизменно оканчивавшихся успехом, были проведены спустя 15-16 лет после первичного запоминания ряда и без всякого предупреждения."
  
  А.Р.Лурия Маленькая книжка о большой памяти (1966)
  
  Память может хранится десятилетиями
  Память у мнемонистов
  

• 4 слайд

  4
  Память может хранится десятилетиями
  Память у мнемонистов
  (гипертимезия)
  

• 5 слайд

  Память может хранится десятилетиями
  Память в течение многих лет у обычных людей
  Roger Brown & James Kulik. Flashbulb memories. Cognition, 5 (1977) 73-99
  Фотовыспышечная память (flashbulb memory) - автоматическое кодирование в памяти неожиданных обстоятельств, имеющих для человека значительную важность и последствия.
  Pillemer (1984) - приблизительно 90% испытуемых имели точные воспоминания о тестируемом событии.
  McCloskey et al., (1988) приблизительно 50% испытуемых имели точные воспоминания через 5 лет после тестируемого события.
  Насколько точна "фотовспышечная память?
  

• 6 слайд

  Память может хранится десятилетиями
  Память в течение 50 лет у обычных людей
  Имена одноклассников
  Названия улиц
  H.G.Schmidt et al. (2000)
  H.P. Bahrick et al. (2008)
  

• 7 слайд

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
  Молекулярные основы жизни
  ДНК
  Молекулярные основы памяти
  ДНК
  

• 8 слайд

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
  Бессмыссленные слоги для запоминания (WUX, CAZ, JEK, ZUP, RIF и т.д.)
  Метод «сохранений»
  Герман Эббингауз
  (1850-1909)
  1885 - Еbbinghaus:
  В хранении памяти существуют две фазы;
  1900 - Mueller & Pilzecker:
  Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации";
  1949 - Duncan:
  Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей;
  1901 - McDougall:
  Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах;
  1962 - Нyden:
  В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка;
  1963 - Flexner et al.:
  Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную памяти;
  

• 9 слайд

  Исходная модель:
  Byrne et al., 1988
  Какие гены вовлечены в формирование памяти?
  ?
  Как они активируются синаптическими сигналами?
  ?
  ?
  Каковы их функции в формировании памяти?
  Долговременная
  память
  Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках.
  Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно, ограниченное 1-2 часами после обучения.
  После его завершения память переходит в стабильную, консолидированную форму и не может быть нарушена воздействиями на нервную систему.
  
  

• 10 слайд

  Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении
  learning
  control
  learning
  с-fos
  с-fos
  embryonic development
  с-fos mRNA
  brain
  heart
  liver
  Ramon Cajal
  hypothesis
  Н.Е.Малеева и соавт. Анализ экспрессии протоонкогена с-fos в коре головного мозга крыс при обучении. Генетика (1989) 25: 1119-1121.
  

• 11 слайд

  Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении
  1. Экспрессия c-fos наблюдается в "критическом окне" консолидации памяти
  2. Экспрессия c-fos и c-jun происходит при приобретении, но не при воспроизведении выученного навыка.
  

• 12 слайд

  Избирательная блокада экспрессии c-fos
  в мозге нарушает консолидацию памяти
  ЧИСЛО ОШИБОК
  
  c-fos
  AS
  
  ОБУЧЕНИЕ ТЕСТ
  20
  40
  60
  80
  20
  40
  60
  0
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
  10
  30 мин
  контроль
  кратковременная
  память
  20
  40
  60
  80
  20
  40
  60
  0
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
  ОБУЧЕНИЕ ТЕСТ
  *** p < .001
  24 часа
  ***
  c-fos AS
  контроль
  долговременная
  память
  антисмысловые
  олигонуклеотиды
  

• 13 слайд

  Последовательность каскада активации "ранних генов" в клетке при обучении
  Мембрана
  Цитоплазма
  Ядро
  НОВИЗНА
  

• 14 слайд

  A second wave of gene expression occurs in the animal brain
  several hours after learning and is required for storage of long-term memory
  -2
  0
  2
  4
  6
  8
  10
  12
  0
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  TIME (hours)
  ***
  **
  ***
  ***
  *
  **
  CONTROL
  ANISOMYCIN
  NUMBER OF MISTAKES
  A. Tiunova et al. (1996) Learning & Memory
  Вслед за экспрессией "ранних генов" после обучения следует активация "поздних генов
  

• 15 слайд

  Обучение
  Экспрессия
  немедленных
  ранних генов
  Экспрессия
  поздних генов
  Долговременная память
  Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет
  "позднее" формирование долговременной памяти
  6
  12
  0
  20
  40
  60
  80
  100
  
  Сохранение следа памяти
  часы
  Первая волна
  белкового синтеза
  Вторая волна
  белкового синтеза
  Долговременная память
  
  3
  9
  
  

• 16 слайд

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
  Cytoplasm
  
  Nucleus
  G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
  Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
  Glu
  SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
  MAPK
  CaMKIV
  PKA
  P
  (S133)
  CREB
  TCF/Elk-1
  ERK
  Rsk
  cAMP
  PKA
  Ca2+ -induced
  Ca2+release
  RyR
  ER
  CAM
  CAM
  MAPK
  Rsk
  CAM
  Ras
  MEK
  AC-ATP
  ERK
  Raf
  N e w e x p e r i e n c e
  

• 17 слайд

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
  Cytoplasm
  
  Nucleus
  PKA
  PP1
  Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
  G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
  CREB
  P
  Glu
  Ca2+ -induced
  Ca2+release
  RyR
  ER
  CAM
  CAM
  MAPK
  Rsk
  MAPK
  Rsk
  CaMKIV
  CAM
  Ras
  Raf
  MEK
  SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
  (S133)
  CBP
  cAMP
  AC-ATP
  PKA
  TCF/Elk-1
  SRF
  P
  CK-II
  rS6K
  SIF
  P
  SIF
  ERK
  ERK
  N e w e x p e r i e n c e
  

• 18 слайд

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
  S.Flawell, M.Greenberg (2008) Ann.Rev.Neurosci.
  

• 19 слайд

  Дальнейшее развитие модели:
  Эффекторные "ранние" гены
  1. Часть "ранних" генов, активирующихся при обучении, кодируют эффекторные белки, обеспечиващие формирование "ранней" белок-зависимой памяти.
  2. К числу таких эффекторных "ранних" генов относится Arc (Arg 3.1).
  
  Его экспрессия происходит в первые минуты после обучения;
  Экспрессия специфически связана с обучением;
  Блокада экспрессии приводит к нарушению формирования долговременной памяти;
  Arc кодирует синаптический белок, транспортирующийся в дендриты.
  
  

• 20 слайд

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
  Молекулярные основы памяти
  ДНК
  "Когда в душе возникает желание что-то вспомнить, оно заставляет [эпифизную] железу, попеременно наклоняющуюся в разные стороны, направлять "животные духи" в различные части мозга до тех пор, пока они не встретят следов, оставленных тем предметом, который душа хочет вспомнить. Эти следы - не что иное, как приобретенное свойство пор мозга, через которые раньше проходили "духи", вызванные этим предметом, открываться с большей готовностью "духам", повторно приходящим к ним. Таким образом, "духи", встречая эти поры, входят в них легче, чем в другие, и вызывают особое движение в железе, передающее душе этот предмет и указывающее ей на то, что он и есть тот самый, который она хотела вспомнить."
  
  Р.Декарт, Страсти души (1649)
  
  

• 21 слайд

  Как экспрессия генов в ядре, обеспечивает избирательную стабилизацию именно тех синапсов, которые вовлекались в обучение?
  Гипотеза проекции мембраны нейрона на геном (Е.Н.Соколов, 1981)
  "Карта внешней поверхности представлена в виде развертки на молекуле ДНК. С другой стороны определенные участки ДНК содержат информацию о направлении транслокации синтезированного белка. В результате в определенном участке мембраны происходит локально-специфическое усиление встраивания синтезированного рецептивного белка."
  Аргументы против:
  а). теоретические расчеты соотношения количества синапсов и количества генов, экспрессирующихся в нейроне.
  б). экспериментальные данные о клеточных функциях "поздних" генов при обучении.
  Дальнейшее развитие модели
  

• 22 слайд

  Дальнейшее развитие модели
  Гипотеза "синаптических ярлыков" (Frey & Morris, 1997)
  
  

• 23 слайд

  Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона
  Другие молекулярные механизмы поддержания памяти:
  Аутофосфорилирование белков
  Прионные белки в синапсах
  Эпигенетические перестройки хроматина при обучении
  Трудности данной модели:
  

• 24 слайд

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
  Cytoplasm
  
  Nucleus
  PKA
  PP1
  Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
  G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
  CREB
  P
  Glu
  Ca2+ -induced
  Ca2+release
  RyR
  ER
  CAM
  CAM
  MAPK
  Rsk
  MAPK
  Rsk
  CaMKIV
  CAM
  Ras
  Raf
  MEK
  SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
  (S133)
  CBP
  cAMP
  AC-ATP
  PKA
  TCF/Elk-1
  SRF
  P
  CK-II
  rS6K
  SIF
  P
  SIF
  ERK
  ERK
  N e w e x p e r i e n c e
  

• 25 слайд

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells
  Cytoplasm
  
  Nucleus
  PKA
  PP1
  Neurotransmitters Growth factors Neuromodulators
  G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC
  CREB
  P
  Glu
  Ca2+ -induced
  Ca2+release
  RyR
  ER
  CAM
  CAM
  MAPK
  Rsk
  MAPK
  Rsk
  CaMKIV
  CAM
  Ras
  Raf
  MEK
  SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos
  (S133)
  CBP
  cAMP
  AC-ATP
  PKA
  TCF/Elk-1
  SRF
  P
  CK-II
  rS6K
  SIF
  P
  SIF
  ERK
  ERK
  N e w e x p e r i e n c e
  

• 26 слайд

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет
  Молекулярные основы памяти
  ДНК
  Может быть длительное поддержание памяти достигается не на клеточно-молекулярном уровне?
  

• 27 слайд

  Фредерик Бартлетт
  1886-1969
  Трансформация памяти при ее извлечении
  "Я настаивал на протяжении всей дискуссии в этот книге на том, что описание воспоминаний как "фиксированных и безжизненных" есть всего лишь ошибочная фантазия.
  Воспоминание не является повторным возбуждением неисчислимых фиксированных фрагментарных следов. Оно есть всегда творческое воссоздание или конструирование, складывающееся из нашего отношения ко всей активной массе реакций и опыта прошлого."
  1932
  

• 28 слайд

  Трансформация памяти при ее извлечении
  Каждая реактивация памяти есть ее активная реконструкция;
  Каждая реконструкция памяти сопровождается рекатегоризацией;
  Вслед за каждой рекатигоризацией следует реконсолидация.
  Лозунг нашей лаборатории в 1994 г.:
  

• 29 слайд

  Что происходит с памятью
  после ее извлечения?
  Ничего
  Дальнейшая консолидация
  Модернизация старой памяти
  Перезапись старой памяти
  

• 30 слайд

  Что происходит с памятью
  после ее извлечения?
  Ничего
  Дальнейшая консолидация
  Модернизация старой памяти
  Перезапись старой памяти
  

• 31 слайд

  Что происходит с памятью
  после ее извлечения?
  

• 32 слайд

  Что происходит с памятью
  после ее извлечения?
  

• 33 слайд

  Экспериментальная проверка:
  Что происходит с памятью при ее извлечении на фоне блокады процессов запоминания?
  

• 34 слайд

  Модель обучения и формирования долговременной памяти у цыплят
  МОДЕЛЬ ПАССИВНОГО ИЗБЕГАНИЯ
  Однократное обучение;
  Модель эпизодической памяти;
  Ведет к формированию долговременной памяти;
  Память чувствительна к блокаде NMDA рецепторов и синтеза белка
  1
  0
  10
  20
  30
  40
  50
  60
  70
  80
  90
  100
  n = 22 15 18
  *
  - p<0.05
  *
  *
  
  Saline
  
  CXM
  
  ANI
  

• 35 слайд

  Эффекты блокады синтеза белка
  на реактивированную память
  Chicks
  (Литвин, Анохин
  1998)
  PASSIVE
  AVOIDANCE
  *
  0
  10
  20
  30
  40
  50
  60
  70
  80
  90
  Avoidance (%)
  2 hours
  CXM
  R
  CXM+R
  24 hours
  *
  

• 36 слайд

  Chicks
  (Литвин, Анохин
  1997)
  PASSIVE
  AVOIDANCE
  *
  0
  10
  20
  30
  40
  50
  60
  70
  80
  90
  Avoidance (%)
  CXM
  R
  CXM+R
  24 hours
  *
  Nader, K., Schafe, G. E. & LeDoux, J. E. Fear memories require protein synthesis in the amygdala for reconsolidation after retrieval. Nature 406, 722–726 (2000).
  Przybyslawski, J., & Sara, S. J. (1997). Reconsolidation of memory after its reactivation. Behavioural Brain Research, 84(1-2), 241–246.
  Эффекты блокады синтеза белка
  на реактивированную память
  

• 37 слайд

  Эффекты блокады синтеза белка
  на реактивированную память
  Mice
  (Muravieva & Anokhin,
  2005)
  Training
  Reactivation
  Testing
  0
  10
  20
  30
  40
  50
  60
  70
  *
  Freezing time (%)
  CXM
  R
  CXM+R
  FEAR
  CONDITIONING
  3 hours
  *
  6 hours
  14 days
  *
  Chicks
  (Литвин, Анохин,
  1998)
  PASSIVE
  AVOIDANCE
  *
  0
  10
  20
  30
  40
  50
  60
  70
  80
  90
  Avoidance (%)
  CXM
  R
  CXM+R
  24 hours
  *
  

• 38 слайд

  Species and task showing memory reconsolidation
  

• 39 слайд

  Различия в молекулярных механизмах консолидации и реконсолидации
  Alberini, 2005
  

• 40 слайд

  40
  " As you know, I am working on the assumption that ... the material present in the form of memory-traces being subjected from time to time to a re-arrangement in accordance with fresh circumstances - to a re-transcription. Thus what is essentially new about my theory is the thesis that memory is present not once but several times over, that it is laid down in various species of indications."."
  
  Freud in a letter to his friend Fliss (1897)
  
  Ретранскрипция памяти
  

• 41 слайд

  Консолидация памяти во сне
  Seminal experimental findings:
  1. Neuronal firing rates observed during waking experience recur in the hippocampus during ensuing SW and REM sleep (Pavlides and Winson 1989);
  
  2. Blockade of protein synthesis during sleep impairs memory acquisition (Gutwein et al. 1980).
  
  
  

• 42 слайд

  Регуляция экспрессии генов во сне
  Tononi et al. (2004)
  

• 43 слайд

  Zif/268 expression during sleep after
  new experience and LTP
  Ribeiro & Nicolelis (2004)
  

• 44 слайд

  Two-stage model for the role of sleep
  in memory consolidation
  Ribeiro & Nicolelis (2004)
  

• 45 слайд

  Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона
  Другие молекулярные механизмы поддержания памяти:
  Аутофосфорилирование белков
  Прионные белки в синапсах
  Эпигенетические перестройки хроматина при обучении
  Синтез новой ДНК при формировании памяти
  Трудности молекулярной модели памяти:
  

• 46 слайд

  Влияние субстратных ингибиторов
  ДНК-полимераз на формирование долговременной памяти у цыплят в модели вкусовой аверсии
  BrdU – структурный аналог IdU –
  5’-бромо-2’-дезоксиуридин
  (100 мг/кг)
  
  АМТ - 3’-амино-3’-дезокситимидин, ингибитор ДНК-полимераз широкого спектра действия (10 мг/кг)
  
  AZT - 3’-азидо-3’-дезокситимидин, ингибитор обратной транскрипции (30 мг/кг)
  
  *
  *
  #
  * р<0.05, # 0.05<р<0.06, критерий χ2
  Комиссарова, Анохин, 2008
  

• 47 слайд

  Заключение:
  Память в нервной системе способна сохраняться годами;
  Для инициации и поддержания этого процесса необходима активация экспрессии генов и эпигенетические перестройки хроматина в нервных клетках;
  Однако, этого по-видимому недостаточно;
  Возможно, поддержание памяти в течение многих лет использует механизм ее регулярной реактивации в различных ситуациях (напоминания, спонтанные воспоминания, сон, неосознаваемая активация при извлечении других воспоминаний), сопровождающейся реконосолидацией памяти.
  В основе реконсолидации также лежат долговременные клеточно-молекулярные процессы, которые могут отличаться от клеточно-молекулярных механизмов консолидации;
  Однако возможно, что есть и другой, еще неизвестный нам, молекулярный механизм перманентного сохранения фенотипа нейрона, измененного в результате обучения.
  Его стоит искать…
  

• 48 слайд