Возвращение к пережитому опыту запустило генетический механизм закрепления воспоминаний
Биологи проанализировали геномные изменения в клетках, которые активны во время формирования воспоминаний в мозге мышей. Оказалось, что когда мыши получают новый опыт, трехмерная организация ДНК их клеток меняется и гены становятся доступнее для прочтения, однако это не усиливает их работу. Только при повторной активации нейронов (вспоминании информации) происходит усиление работы генов из-за образования новых взаимодействий с регуляторными последовательностями. Исследование опубликовано в журнале Nature Neuroscience.
При получении нового опыта в мозге возникают нейронные цепочки — энграммы, которые включают энграммные нейроны гиппокампа и другие структуры мозга. Именно энграммы отвечают за формирование воспоминаний: в процессе перехода памяти из эпизодической в долговременную связи нейронов в энграмме становятся сильнее. Считается, что это связано с изменением работы генов в клетках энграмм, однако процессы, лежащие в основе усиления связей, до сих пор были изучены плохо.
Работа генов и количество их прочтений зависят от трехмерной организации молекул ДНК в ядре. Так происходит из-за небольших последовательностей ДНК — энхансеров, взаимодействие с которыми помогает ферментам садиться на нужный ген и активировать его работу. Поэтому физическое расстояние до энхансеров играет ключевую роль в работе генов.
Биологи из Массачусетского технологического института под руководством Асафа Марко (Asaf Marco) решили исследовать изменения в трехмерной организации генома в процессе формирования и закрепления воспоминаний. Для этого исследователи создали трансгенных мышей, нейроны которых при активации синтезировали желтый флуоресцентный белок.
На животных провели классический эксперимент формирования реакций на устрашающий стимул: мышей помещали в клетки, на пол которых подавали разряды тока, поражающие лапки мышей. Одновременно с этим ученые подавали звуковой сигнал. После этого у некоторых мышей собирали образцы тканей мозга и определяли светящиеся (то есть активные при формировании энграммы) клетки. Через пять дней мышам напоминали о стимуляции, включая тот же звуковой сигнал: они пугались нового удара и замирали. Замирание свидетельствует о повторной активации энграммы, которая образовалась после удара током.
После этого исследователи собрали у мышей около 10 тысяч клеток для анализа трехмерной организации их генома и работу генов. Для этого они создали карту геномных контактов, на которой отметили, какие участки ДНК контактируют друг с другом чаще. Также исследователи проверили, насколько ДНК доступна для ферментов на основе данных о белках, на которые она «намотана», и зафиксировали количество прочтений (активность) генов. Оказалось, внутри популяций клеток на всех стадиях формирования воспоминания гены контактировали с энхансерами чаще (p < 0,0001).
Однако активность генов при изменении структуры ДНК осталась прежней во время получения нового опыта и формирования воспоминаний. Только при повторной активации нейронов энграммы (когда мыши слышали тот же звук, что и при ударе током) работа генов резко менялась (p < 0,0001). Из 438 генов, которые стали активнее при вспоминании, большинство принадлежало к классам, которые связаны с синаптической пластичностью. Ученые предполагают, что этот процесс обеспечивает закрепление воспоминания.
Так нейробиологи показали, что при формировании воспоминания структура геномов энграммных клеток гиппокампа значительно меняется, однако работа генов остается прежней. Их активация происходит только при вспоминании о прошедшем опыте.
Исследования памяти проводят не только на лабораторных животных, но и на людях. Недавно американские биологи выяснили, что у пожилых людей, занимающихся тяжелым физическим трудом на последней работе, наблюдаются проблемы с запоминанием информации. Кроме того, анализ МРТ-данных указал и на уменьшенный размер гиппокампа тех участников исследования, которые испытывали на работе сильные физические перегрузки.
Аня Муравьева
Но сработала только низкая доза
Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото. Уровень сывороточного Клото вырос в пять раз после инъекции белка. В итоге обезьяны почти на 20 процентов лучше справились с задачей на память, и эффект не прошел даже после двух недель. Но если на мышах работали разные дозы белка, то макакам хватило 10 микрограмм на килограмм массы тела — большие дозы не улучшали память. Результаты опубликованы в Nature Aging. В конце 20 века ученые открыли белок Клото (Klotho), который назвали в честь древнегреческой богини, прядущей нить жизни. Выяснилось, что мыши с дефектным геном Klotho начинают стареть уже спустя 3–4 недели после рождения, а еще у них развивается остеопороз, атеросклероз и другие патологии, а к двум месяцам они умирают. Мыши, чрезмерно экспрессирующие Klotho, напротив, живут на 20–30 процентов дольше, а их память лучше. Еще сверхэкспрессия белка защищала мозг мышей от повреждений, связанных с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Люди с повышенными уровнями белка тоже живут дольше, их когнитивные способности лучше, а еще у них ниже риск развития деменции и болезни Альцгеймера. В организме синтезируется две формы белка Клото — трансмембранная и секретируемая. В крови еще циркулирует растворимая форма белка, которая получается, когда ферменты отрезают от трансмембранного белка кусок. Растворимая форма может действовать как гормон, влияя на сигналинг инсулина, фактора роста фибробластов (FGF), функцию Wnt и NMDAR. Растворимую форму Клото вводили мышам в виде инъекций, и это повышало синаптическую пластичность, улучшало познание и устойчивость нейронов к старению. Стейси Кастнер (Stacy A. Castner) из Йельской школы медицины и ее коллеги решили проверить, улучшится ли память у нечеловеческих приматов, макаков-резус (Macaca mulatta), если им подкожно ввести белок Клото. Макаки-резус, как и люди, страдают от возрастного когнитивного снижения, хотя и без значительной потери нейронов. Сначала белок Клото макак ученые ввели мышам — в дозировке 10 микрограмм белка на килограмм массы тела. В предыдущих исследованиях такая доза увеличивала синаптические и когнитивные функции мышей. Здесь спустя 4 часа у мышей улучшилась синтетическая пластичность и рабочая память, которую проверяли в У-образном лабиринте. Уровень белка Клото в сыворотке мышей после инъекции увеличился в шесть раз. Затем ученые попытались повысить уровень белка в сыворотке стареющих макак, которым было в среднем около 22 лет (что эквивалентно человеческим 65), до того же уровня. Для этого они вводили макакам разные дозы Клото: от 0,4 до 30 микрограмм на килограмм массы тела. Доза в 10 микрограмм на килограмм повысила уровень сывороточного белка в пять раз. Уровень Клото в человеческой пуповинной крови тоже примерно в пять раз выше, чем в крови взрослых, — поэтому на дозе в 10 микрограмм ученые и остановились. Обезьян учили запоминать расположение отсека с пищевым вознаграждением, и таким образом оценивали их рабочую память. Задачи с нормальной сложностью, в которых было от 4 до 7 отсеков, они выполняли успешно, но не всегда справлялись с повышенной сложностью, когда отсеков было уже от 6 до 9. Уже через четыре часа после однократной инъекции белка Клото макаки стали лучше решать задачу, особенно — ее сложный вариант. Процент правильных ответов в сложной задаче увеличился с 45 до почти 60 (P = 0,0077). Этот эффект сохранялся спустя две недели и не зависел от пола. А вот более высокие дозы — 20 и 30 микрограмм на килограмм массы тела — не привели к когнитивному улучшению у макак, но и хуже не сделали. В отличие от обезьян, на мышей в предыдущих исследованиях высокие дозы белка действовали положительно. Возможно, слишком высокие дозы нарушают метаболизм у нечеловеческих приматов. Авторы предположили, что когнитивного улучшения у людей также можно будет достичь с помощью небольших, физиологических доз гормона. Также ученым еще предстоит выяснить, как сигналы белка передаются в мозг, поскольку введенный в кровь Клото сам не пересекает гематоэнцефалический барьер. Не так давно ученым удалось улучшить рабочую память людей, посветив на мозг лазером — через кожу и череп. До стимуляции люди могли запомнить 3–4 фигуры на картинке, а после — 4–5.