Для ее появления требуется сочетание стимуляции параллельных волокон, представляющих условный сигнал, со стимуляцией лазящих волокон, проводящих сигнал от безусловного раздражителя к клеткам Пуркинье. ДВД сегодня выявлена не только в мозжечке, но и в новой коре, гиппокампе, таламусе и др.
Какой эффект появится: ДВД или ДВП — зависит от того, какова частота стимуляции путей к пресинаптическому нейрону и каков уровень поляризации мембраны постсинаптического нейрона. В коре и гиппокампе высокочастотная стимуляция обычно вызывает ДВП, низкочастотная — ДВД. В мозжечке, наоборот, высокочастотная совместная стимуляция параллельных и лазящих волокон приводит к развитию ДВД.
Оказалось, что ДВД и ДВП более тесно связаны между собой, нежели представляли раньше. Оба явления могут быть воспроизведены на одном и том же синапсе (рис. 35). Синапс, в котором 150
Порог модификации
Уровень
постсинаптического возбуждения
ДВД-1
Рис. 35. Зависимость появления долговременной потенциации (ДВП)
и долговременной депрессии (ДВД) в бидирекционном синапсе от порога
модификации и уровня постсинаптического возбуждения.
можно при определенных условиях получить ДВП или ДВД, получил название бидирекционного. Он принципиально отличен от синапса Хебба, требующего пре-постсинаптического совпадения. Ему не нужно подкрепления в виде активации постсинаптического нейрона. Так, ДВД можно получить ритмической стимуляцией, когда мембрана постсинаптического нейрона гиперполяризована.
Полагают, что пластические изменения у такого бидирекционного синапса в виде появления ДВП и ДВД обусловлены действием ритмической стимуляции на особый тип рецепторов, возбуждение которых открывает каналы для впуска в клетку мощного потока ионов кальция. Такими свойствами обладают рецепторы NMDA. Их активация аналогична действию безусловного раздражителя. Высокочастотная стимуляция, вызывающая ДВП, действует непосредственно через NMDA-рецепторы. Хотя не исключается, что высокочастотный раздражитель может открывать и потенциал-зависимые кальциевые каналы. А это означает возможное подключение и постсинаптического нейрона, т.е. участие подкрепления полностью не исключается.
Для объяснения свойств бидирекционного синапса вводится понятие «порог модификации». Он соответствует определенной комбинации уровня постсинаптического возбуждения и частоты стимуляции, при которой не возникает ни ДВП, ни ДВД. Порог модификации — это некая критическая точка, в которой происходит переход от ДВП к ДВД. Только уход от порога модификации определяет появление ДВД или ДВП. Порог модификации — скользя-
151
щая величина, он может сдвигаться как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния постсинаптического нейрона. Его скольжение получило название «пластичности синоптической пластичности» или «метапластичности».
В качестве возможных механизмов «метапластичности» рассматривают кальций-зависимые изменения активности внутриклеточных веществ. В их роли выступают протеинкиназы, вызывающие фосфорилирование белков, и протеинфосфотазы, инициирующие обратный процесс — дефосфорилирование. Баланс между фосфо-рилированием и дефосфорилированием определяет появление ДВП или ДВД. При малой интенсивности постсинаптического возбуждения преобладает активность фосфотазы, что приводит к дефосфори-лированию. При сильном возбуждении доминирует процесс фос-форилирования.
В некоторых случаях ДВД можно было получить только после предварительно вызванной ДВП. Такая ДВД была названа депо-тенциацией. Недавно были выявлены ДВП и ДВД тормозной передачи в неокортексе и в мозжечке. ДВП и ДВД противоположно действуют в отношении возбудительных и тормозных входов. Так, увеличение концентрации Са2+ в нейронах коры вызывает ДВП возбудительного входа и ДВД тормозного, и наоборот. В мозжечке увеличение содержания ионов Са2+ в нейронах ведет к ДВД возбудительного входа и ДВП тормозного.
6.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ
Повышенный интерес к изучению молекулярных механизмов памяти в 50—60-х годах был вызван работами известного шведского нейрохимика X. Хидена, изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти и положившего начало исследованию кодирования приобретаемого навыка последовательностью нуклеотидов РНК. Он изучал содержание РНК и белков в нейронах вестибулярной системы у обученных крыс и кроликов. Крыс тренировали взбираться по наклонно натянутой проволоке, к концу которой прикреплялась приманка. Кролики вращались в устройстве, напоминавшим детскую карусель. Оказалось, что освоение животными нового поведения сопровождалось ростом синтеза РНК и белков. Предполагалось, что последующий синтез белка на матрице «обученной» РНК сохраняет приобретенную информацию («запоминающие белки»). Гипотеза X. Хидена о роли РНК в кодировании памяти была критически переоценена самим автором и не получила подтверждения опытами других исследователей. В серии работ, выполненных многими авторами,
152
была установлена связь обучения с ростом синтеза ядерной и ци-топлазматической РНК во многих структурах мозга. Его блокада с помощью рибонуклеазы, вводимой разными способами (в структуры мозга, на его поверхность или внутрибрюшинно), у крыс и кроликов приводила к исчезновению ранее выработанных условных рефлексов и затрудняла обучение новым навыкам. Однако до сих пор не доказана биохимическая специфичность белков, синтезируемых в процессе запоминания. Поэтому роль РНК и белков в механизмах памяти исчерпывается их участием в восстановительных процессах клеток, вовлеченных в активное функционирование. Позднее, в 70-х годах, исследователи пришли к выводу о том, что сохранение приобретенной информации связано не с РНК, а с ДНК.
Существенный вклад в понимание молекулярных механизмов памяти внесли Франсуа >{?акоб и Жак Моно, которые во Франции в 1961 г. впервые опубликовали результаты своих исследований белкового синтеза у бактерий. Они описали сложную структуру генетического контроля со специальным механизмом, обеспечивающим адаптацию организма к воздействиям внешней среды. За эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены впоследствии Нобелевской премии. Обычно бактерия использует в качестве источника углерода фруктозу или сахарозу. Но если ее перенести на среду, содержащую сахар лактозу, которую нужно предварительно расщепить, чтобы получить углерод, то часть молекул лактозы, проникая в клетку, запускает специальный механизм, который изменяет репрессор — белок, подавляющий транскрипцию ДНК в РНК. Это делает возможным синтез фермента, необходимого для расщепления лактозы. Действие реп-рессора можно устранить с помощью других белков или гормонов. Таким образом, помимо структурных генов, хранящих информацию об организме, они выделили особые регуляторные белки, которые, присоединяясь к ДНК или отделяясь от нее, контролируют экспрессию генов.
Существует много моделей, объясняющих связь памяти с генетическими структурами нейрона. Большинство из них утверждает 'наличие единого процесса экспрессии генов, стимулируемого обучением. Она ведет к синтезу многих классов белков — рибосом-ных, синаптических структурных белков аксонных окончаний, энзимов (ферментов) для синтеза мембранных липидов.
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
Какой эффект появится: ДВД или ДВП — зависит от того, какова частота стимуляции путей к пресинаптическому нейрону и каков уровень поляризации мембраны постсинаптического нейрона. В коре и гиппокампе высокочастотная стимуляция обычно вызывает ДВП, низкочастотная — ДВД. В мозжечке, наоборот, высокочастотная совместная стимуляция параллельных и лазящих волокон приводит к развитию ДВД.
Оказалось, что ДВД и ДВП более тесно связаны между собой, нежели представляли раньше. Оба явления могут быть воспроизведены на одном и том же синапсе (рис. 35). Синапс, в котором 150
Порог модификации
Уровень
постсинаптического возбуждения
ДВД-1
Рис. 35. Зависимость появления долговременной потенциации (ДВП)
и долговременной депрессии (ДВД) в бидирекционном синапсе от порога
модификации и уровня постсинаптического возбуждения.
можно при определенных условиях получить ДВП или ДВД, получил название бидирекционного. Он принципиально отличен от синапса Хебба, требующего пре-постсинаптического совпадения. Ему не нужно подкрепления в виде активации постсинаптического нейрона. Так, ДВД можно получить ритмической стимуляцией, когда мембрана постсинаптического нейрона гиперполяризована.
Полагают, что пластические изменения у такого бидирекционного синапса в виде появления ДВП и ДВД обусловлены действием ритмической стимуляции на особый тип рецепторов, возбуждение которых открывает каналы для впуска в клетку мощного потока ионов кальция. Такими свойствами обладают рецепторы NMDA. Их активация аналогична действию безусловного раздражителя. Высокочастотная стимуляция, вызывающая ДВП, действует непосредственно через NMDA-рецепторы. Хотя не исключается, что высокочастотный раздражитель может открывать и потенциал-зависимые кальциевые каналы. А это означает возможное подключение и постсинаптического нейрона, т.е. участие подкрепления полностью не исключается.
Для объяснения свойств бидирекционного синапса вводится понятие «порог модификации». Он соответствует определенной комбинации уровня постсинаптического возбуждения и частоты стимуляции, при которой не возникает ни ДВП, ни ДВД. Порог модификации — это некая критическая точка, в которой происходит переход от ДВП к ДВД. Только уход от порога модификации определяет появление ДВД или ДВП. Порог модификации — скользя-
151
щая величина, он может сдвигаться как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния постсинаптического нейрона. Его скольжение получило название «пластичности синоптической пластичности» или «метапластичности».
В качестве возможных механизмов «метапластичности» рассматривают кальций-зависимые изменения активности внутриклеточных веществ. В их роли выступают протеинкиназы, вызывающие фосфорилирование белков, и протеинфосфотазы, инициирующие обратный процесс — дефосфорилирование. Баланс между фосфо-рилированием и дефосфорилированием определяет появление ДВП или ДВД. При малой интенсивности постсинаптического возбуждения преобладает активность фосфотазы, что приводит к дефосфори-лированию. При сильном возбуждении доминирует процесс фос-форилирования.
В некоторых случаях ДВД можно было получить только после предварительно вызванной ДВП. Такая ДВД была названа депо-тенциацией. Недавно были выявлены ДВП и ДВД тормозной передачи в неокортексе и в мозжечке. ДВП и ДВД противоположно действуют в отношении возбудительных и тормозных входов. Так, увеличение концентрации Са2+ в нейронах коры вызывает ДВП возбудительного входа и ДВД тормозного, и наоборот. В мозжечке увеличение содержания ионов Са2+ в нейронах ведет к ДВД возбудительного входа и ДВП тормозного.
6.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ
Повышенный интерес к изучению молекулярных механизмов памяти в 50—60-х годах был вызван работами известного шведского нейрохимика X. Хидена, изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти и положившего начало исследованию кодирования приобретаемого навыка последовательностью нуклеотидов РНК. Он изучал содержание РНК и белков в нейронах вестибулярной системы у обученных крыс и кроликов. Крыс тренировали взбираться по наклонно натянутой проволоке, к концу которой прикреплялась приманка. Кролики вращались в устройстве, напоминавшим детскую карусель. Оказалось, что освоение животными нового поведения сопровождалось ростом синтеза РНК и белков. Предполагалось, что последующий синтез белка на матрице «обученной» РНК сохраняет приобретенную информацию («запоминающие белки»). Гипотеза X. Хидена о роли РНК в кодировании памяти была критически переоценена самим автором и не получила подтверждения опытами других исследователей. В серии работ, выполненных многими авторами,
152
была установлена связь обучения с ростом синтеза ядерной и ци-топлазматической РНК во многих структурах мозга. Его блокада с помощью рибонуклеазы, вводимой разными способами (в структуры мозга, на его поверхность или внутрибрюшинно), у крыс и кроликов приводила к исчезновению ранее выработанных условных рефлексов и затрудняла обучение новым навыкам. Однако до сих пор не доказана биохимическая специфичность белков, синтезируемых в процессе запоминания. Поэтому роль РНК и белков в механизмах памяти исчерпывается их участием в восстановительных процессах клеток, вовлеченных в активное функционирование. Позднее, в 70-х годах, исследователи пришли к выводу о том, что сохранение приобретенной информации связано не с РНК, а с ДНК.
Существенный вклад в понимание молекулярных механизмов памяти внесли Франсуа >{?акоб и Жак Моно, которые во Франции в 1961 г. впервые опубликовали результаты своих исследований белкового синтеза у бактерий. Они описали сложную структуру генетического контроля со специальным механизмом, обеспечивающим адаптацию организма к воздействиям внешней среды. За эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены впоследствии Нобелевской премии. Обычно бактерия использует в качестве источника углерода фруктозу или сахарозу. Но если ее перенести на среду, содержащую сахар лактозу, которую нужно предварительно расщепить, чтобы получить углерод, то часть молекул лактозы, проникая в клетку, запускает специальный механизм, который изменяет репрессор — белок, подавляющий транскрипцию ДНК в РНК. Это делает возможным синтез фермента, необходимого для расщепления лактозы. Действие реп-рессора можно устранить с помощью других белков или гормонов. Таким образом, помимо структурных генов, хранящих информацию об организме, они выделили особые регуляторные белки, которые, присоединяясь к ДНК или отделяясь от нее, контролируют экспрессию генов.
Существует много моделей, объясняющих связь памяти с генетическими структурами нейрона. Большинство из них утверждает 'наличие единого процесса экспрессии генов, стимулируемого обучением. Она ведет к синтезу многих классов белков — рибосом-ных, синаптических структурных белков аксонных окончаний, энзимов (ферментов) для синтеза мембранных липидов.
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