Чем сильнее шипован мозг, тем острее память

Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом

Обучение и формирование долговременных воспоминаний у животных основано на постоянном образовании новых и отмирании старых связей между нейронами мозга. Американским нейробиологам впервые удалось детально проследить за этими процессами в ходе обучения у мышей. Оказалось, что при обучении дендриты (ветвящиеся «входные» отростки нейронов) образуют множество новых веточек, количество которых коррелирует с эффективностью обучения. После окончания тренировок большая часть новых отростков постепенно атрофируется, но некоторые сохраняются на всю жизнь, что обеспечивает длительное хранение приобретенных воспоминаний и навыков.

Механизмы формирования памяти на молекулярном и клеточном уровнях сегодня в общих чертах понятны (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). У млекопитающих ключевую роль в обучении и формировании долговременных воспоминаний играет непрерывное отращивание дендритами (короткими, разветвленными «входными» отростками нейронов) новых маленьких отросточков — дендритных шипиков. Шипики образуют контакты (синапсы) с другими нейронами и служат для приема сигналов. Наряду с отращиванием новых шипиков постоянно происходит исчезновение старых (это, очевидно, приводит к полному или частичному забыванию результатов прежнего обучения). Таким образом, нейрон может «подключаться» к тем или иным своим соседям и отсоединяться от них, усиливать и ослаблять силу контакта с ними (то есть придавать больший или меньший «вес» получаемым от них импульсам).

Мозг млекопитающих сочетает в себе две способности, которые, казалось бы, противоречат друг другу: постоянно усваивать новые знания (например, в виде приобретаемых условных рефлексов) и одновременно — сохранять часть приобретенных знаний до самой смерти. Как удается мозгу совмещать высокую пластичность межнейронных связей со стабильным хранением воспоминаний?

Разобраться в этом помогли, как обычно, новые приборы и методики. Нейробиологи из медицинского центра Нью-Йоркского университета использовали в своих опытах генно-модифицированных мышей, у которых некоторые нейроны коры головного мозга (а именно пирамидальные нейроны слоя V неокортекса, см.: Pyramidal neuron) производят желтый флуоресцирующий белок. Это позволяет наблюдать за ростом и отмиранием дендритных шипиков прямо у живых мышей, сквозь череп, при помощи двухфотонного лазерного микроскопа.

В первом эксперименте мышей в течение двух дней обучали бегать по быстро вращающемуся цилиндру — трюк, требующий определенного навыка. За эти два дня у мышей в нейронах участка моторной коры, отвечающего за движение передних лап, образовалось на 5–7% больше новых шипиков, чем у контрольных мышей, которые ничему не обучались. Кроме того, оказалось, что при продолжении однообразных тренировок образование новых шипиков замедляется (поскольку зверек уже научился этому трюку), но снова активизируется, если начать учить мышей чему-то другому (например, бежать по тому же цилиндру задом наперед). Это означает, что образование шипиков связано именно с обучением, а не просто с физическими упражнениями.

Во втором эксперименте вместо бега по крутящемуся цилиндру мышам нужно было научиться жить (и находить пищу и воду) в помещении, заполненном свисающими с потолка гирляндами из шариков. На этот раз новые шипики образовывались в основном в том отделе коры, который получает информацию от вибрисс (чувствительных усиков). У мышей с обстриженными усами дендриты этого отдела мозга не отращивали новых шипиков. Рост дендритных шипиков замедлялся после двух дней жизни в необычной обстановке, но снова активизировался при пересадке мыши в помещение с другими гирляндами.

После этого ученые проследили, как происходит утрата новоприобретенных шипиков после прекращения тренировок (что соответствует постепенному забыванию полученных «уроков»). Оказалось, что более 75% новых шипиков, отросших в ходе двухдневного обучения, утрачиваются в течение следующих двух недель. Гораздо медленнее происходит утрата шипиков, приобретенных в ходе более длительного (4–14-дневного) обучения.

Читайте также:  Почему появляется боль в коленном суставе Блог о здоровье

Естественно предположить, что те шипики, которые сохраняются надолго, отвечают за долговременное сохранение приобретенных навыков. Экспериментаторы проверили это, сопоставив число сохранившихся шипиков со степенью сохранности двигательных навыков через 1–2 недели после окончания тренировок. Результаты полностью подтвердили теоретические ожидания: те мыши, у которых сохранилось больше новоприобретенных шипиков, лучше сохранили и свои двигательные навыки (сохранность двигательных навыков оценивали по скорости, с которой мышь может бежать по крутящемуся барабану, не падая с него).

Авторы также обнаружили, что различные виды длительного (7–14 дневного) обучения приводят к ускоренной утрате дендритных шипиков, приобретенных ранее в течение жизни, в том числе во время предыдущего обучения чему-то другому. Новые навыки и воспоминания постепенно «затирают» старые — но, по-видимому, не до конца. Эффективность усвоения новых навыков положительно коррелирует с числом утраченных старых шипиков.

Сложная математическая обработка результатов наблюдений за сравнительно небольшим числом дендритов позволила сделать ряд дополнительных выводов. Новоприобретенные шипики, по-видимому, делятся на три группы: первая, самая многочисленная, исчезает в первые дни после окончания тренировок; вторая, меньшая, сохраняется в среднем 1–2 месяца. Но есть и третья группа шипиков (около 0,8% от общего числа), которая сохраняется на всю жизнь. Авторы рассчитали, что двухдневное обучение бегу на вращающемся цилиндре приводит к формированию около двух миллионов межнейронных контактов, сохраняющихся до самой смерти животного. Очевидно, этого вполне достаточно для сохранения двигательного навыка. До сих пор никто не знал, каким образом осуществляется пожизненное хранение воспоминаний: то ли они «записаны» раз и навсегда в одних и тех же межнейронных контактах, то ли сохраняются динамическим образом, постепенно «переписываясь» из одних синапсов в другие. Полученные результаты — аргумент в пользу первого из двух вариантов.

То, что авторам удалось показать пожизненное сохранение части дендритных шипиков, приобретенных в ходе обучения, является, по-видимому, самым важным результатом их работы. Ранее уже было известно, что система межнейронных связей чрезвычайно пластична и постоянно перестраивается. При этом оставалось неясным, как удается мозгу при такой пластичности и постоянных перестройках сохранять воспоминания в течение всей жизни.

Авторы также рассчитали, что из всех дендритных шипиков, имеющихся у мыши на 30-й день после рождения, до конца жизни сохраняется примерно 30–40%. В заключительной части статьи авторы приводят ряд косвенных аргументов в пользу того, что закономерности, обнаруженные ими у одного типа нейронов коры головного мозга — пирамидальных нейронов слоя V, — являются общими для большинства нейронов коры.

Это исследование заставляет задуматься о многом. Позволит ли дальнейшее развитие подобных технологий когда-нибудь разработать устройство для считывания знаний из мозга — например, умершего человека? Похоже на то, что ничего принципиально невозможного в этом нет. Конечно, необходимо учитывать, что информация в мозге «записана» не только в количестве синапсов, связывающих одни нейроны с другими, но и в их качестве, поскольку «проводимость» у разных синапсов разная и тоже может меняться в процессе обучения.

Источник: Guang Yang, Feng Pan, Wen-Biao Gan. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature. Advance online publication 29 November 2009.

Дендритный шипик

  • Дендритный шипик — мембранный вырост на поверхности дендрита, способный образовать синаптическое соединение. Шипики обычно имеют тонкую дендритную шейку, оканчивающуюся шарообразной дендритной головкой. Дендритные шипики обнаруживаются на дендритах большинства основных типов нейронов мозга. В создании шипиков участвует белок калирин.

Шипики отличаются множеством форм, что отражается в их категоризации — различают филоподии, протошипики, грибовидные шипики, тонкие шипики, пеньковые шипики, разветвленные шипики и т. д. Существуют свидетельства того, что разные формы шипиков соответствуют разным стадиям развития и различной силе синаптических соединений. В исследованиях с использованием двухфотонных лазерных сканирующих микроскопов и конфокальных микроскопов было показано, что в зависимости от типа синаптической стимуляции объём и форма шипиков может изменяться, а сами шипики могут поворачиваться в пространстве, появляться и исчезать, при этом наиболее устойчивыми являются грибовидные шипики.

Читайте также:  Реабилитация после замены хрусталика при катаракте - советы специалистов пансионата Тульский Дедушка

Шипики, в частности, выполняют роль отдельных клеточных компартментов, предотвращающих изменения в содержании ионов в цитоплазме материнского дендрита при активной работе синапсов.

Связанные понятия

Хотя долгое время считалось, что потенциал действия (ПД) может генерироваться преимущественно на начальном сегменте низкопорогового нейронного аксона (AIS), в течение последних десятилетий было накоплено много данных в пользу того, что потенциалы действия также возникают в дендритах. Такой дендритный ПД, для того чтобы отличить его от аксонного потенциала действия, часто называют «дендритный спайк».

Гранулярные клетки — несколько разновидностей мелких нейронов мозга. Название «гранулярная клетка» («зернистая клетка», «клетка-зерно») используется анатомами для нескольких разных типов нейронов, единственной общей особенностью которых является крайне малый размер тел этих клеток.

Пирамидальные нейроны, или пирамидные нейроны, — основные возбудительные нейроны мозга млекопитающих. Также обнаруживаются у рыб, птиц, рептилий. Напоминают по форме пирамиду, из которой вверх ведёт большой апикальный дендрит; имеют один аксон, идущий вниз, и множество базальных дендритов. Впервые были исследованы Рамон-и-Кахалем. Отмечены в таких структурах, как кора мозга, гиппокамп, миндалевидное тело (амигдала), но отсутствуют в обонятельной луковице, стриатуме, среднем мозге, ромбовидном мозге.

Клетки-канделябры (англ. chandelier cell, chandelier neuron; иногда: канделябровидные клетки) — ГАМКергические интернейроны коры головного мозга, образующие характерные продолговатые аксо-аксональные соединения исключительно с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток. Так называемые «картриджи» — аксональные терминали, окутывающие начальные сегменты пирамидальных аксонов, напоминают свечи и придают нейронам вид канделябра. Клетки-канделябры содержат кальций-связывающий белок парвальбумин.

PsyAndNeuro.ru

Цитоскелетная теория в психиатрии

В последние годы в биологической психиатрии доминирует нейромедиаторная теория. Действительно, актуальность нейромедиаторной теории подтверждается большим числом биологических исследований (содержание нейромедиаторов в ткани мозга, изучение полиморфизмов генов, вовлеченных в обмен нейромедиаторов), а также клинической практикой, ведь успешное применение препаратов, действующих на систему нейротрансмиттеров, предопределяет справедливость теории. Однако есть и альтернативные теории, набирающие популярность. Об одной из таких теорий доложил доктор Ил Хван Ким (Dr. Il Hwan Kim) из университета Дюка в рамках своего семинара в центре наук о здоровье университета штата Теннессии (UTHSC). Его доклад назывался “Изучение нейрональных сетей мозга, относящихся к психиатрическим симптомам” (изобр.[1]).

Изображение 1. Объявление о семинаре (слева), доктор Ил Хван Ким в лаборатории (справа).

Наверняка многие врачи и биологи, да и в целом все, кто изучал физиологию в высших учебных заведениях, слышали про белок актин. Вероятнее всего слово актин сразу ассоциируется со словосочетанием актин-миозиновый комплекс, вспоминаются нервные волокна и дикие для второкурсника теории мышечного сокращения. Кто-то вспомнит про цитоскелет – белковые структуры, которые поддерживают форму клетки такой, какой ей и следует быть. Сразу же из глубин памяти вылезут туманные микрофиламенты, тубулины и кератины. Однако если вы хорошо знакомы с нейроцитологией и нейрогистологией, то вспомните также, что актин играет важную роль в синапсообразовании: небольшие отростки дендритов (дендритные шипики) могут появляться и исчезать, помогая при этом формировать новые синапсы на своей поверхности. Именно благодаря дендритным Шипкам и синаптической динамике нервная система может эффективно обрабатывать и реализовывать информацию и поддерживать свою пластичность в целом.

Формирование дендритных шипиков основано на явлении полимеризации актина, а также ветвлении актиновых структур. Как видно из рисунка [изобр.2], для ветвления актина требуется специальный комплекс белков Arp2/3. Этот комплекс “садится” на материнский актиновый филамент, и на его базе начинает расти дочерний актиновый филамент. Таким образом и формируется древообразная структура, которая создает дендритные шипики, на основе которой и держится все волшебство нервной системы.

Читайте также:  У котенка рвота с глистами

Изображение 2. Схема ветвления актиновых филаментов (адаптировано из (4)).

Тут уже не сложно догадаться, что если система дендритных шипиков нарушена, то можно ожидать нейро-когнитивныый дефицит, или же, по меньшей мере дисбаланс. На рисунке (изобр.[3]) показаны отростки нейронов дикого типа мыши (верхние изображения) и с прижизненно выключенным (нокаутированным) комплексом Arp2/3 (нижние изображения). Как можно заметить, существующие дендритные шипики у мутантов исчезают, а новые не появляются. Eсть исследования, которые показывают, что мутантнтные мыши, по комплексу Arp2/3 демонстрируют ненормальное локомоторное поведение (1). Более того, Arp2/3-мутантные мыши после введения антипсихотиков (галоперидол, клозапин) демонстрируют нормализацию поведения. А статья (2) обсуждает шизофрению в контексте изменения экспрессии гена Arp2/3.

Изображение 3. Динамика дендритных шипиков у мышей дикого типа (верхний ряд) и с инактивированным геном ArpC3 (нижний ряд) в течении восьми недель (адаптировано из (3)).

На рисунке (изобр.[4]) показаны данные, полученные с использованием анализа моторной активности мышей (общая длина передвижений) у мышей с интактным и инактивированным геном ArpC3 (это субъединица комплекса Arp2/3) с применением галоперидола (0.1 мг/кг, 0.2. мг/кг) и клозапина (0.5 мг/кг). Показаны три временные точки после введения антипсихотиков. В исследовании использовали Cre-LoxP систему инактивации гена, для простоты интерпретируем это как инактивированный ген (по-научному это генотип Arpc3 f/f; Camk2a-Cre).

Можно сразу заметить по первым двум столбцам, что у мышей с инактивированным геном ArpC3 общая дистанция передвижений значительно больше, чем у мышей с интактным геном (примерно в 6 раз). Анализируя диаграммы дальше можно заметить, что с течением времени антипсихотические средства сокращают разницу в моторной активности между мышами с интактным и инактивированным геном.

Ответ мутантных мышей на антипсихотические препараты объясняется тем, что потеря функциональной активности комплекса Arp2/3 непосредственно влияет на дофаминэргические синапсы сообщения вентральной области покрышки и черной субстанции (DA-producing VTA/SNc neurons).

Изображение 4. Сравнение уровня моторной активности мышей дикого типа и с инактивированным геном ArpC3, без и с использованием антипсихотических средств, использованы три временные точки (адаптировано из (1))

На данный момент нет однозначных данных, описывающих биологическую сторону психической симптоматики, но регулярно появляется информация о новых генах, которые могут вносить вклад в ее развитие. Обзор о конкондартности шизофрении описывает наследуемость шизофрении на основании близнецовых исследований. В целом сомнений в генетической природе/компоненте психической патологии остается все меньше, однако пройдет еще много лет, прежде чем в психиатрическую практику войдут диагностические системы оценок рисков и предимплантационная диагностика. Расширение понимания биологических основ психиатрии существенно увеличит рецепторный арсенал психофармакологии, позволит проводить более селективную терапию и даже откроет возможности для доманифистационной коррекции в психиатрии.

Автор текста : Крат С.

  1. Kim, Il Hwan, et al. “Spine pruning drives antipsychotic-sensitive locomotion via circuit control of striatal dopamine.” Nature neuroscience 18.6 (2015): 883.
  2. Datta, Dibyadeep, et al. “Altered expression of ARP2/3 complex signaling pathway genes in prefrontal layer 3 pyramidal cells in schizophrenia.” American Journal of Psychiatry 174.2 (2016): 163-171.
  3. Kim, Il Hwan, et al. “Disruption of Arp2/3 results in asymmetric structural plasticity of dendritic spines and progressive synaptic and behavioral abnormalities.” Journal of Neuroscience 33.14 (2013): 6081-6092.
  4. Helgeson, Luke A., and Brad J. Nolen. “Mechanism of synergistic activation of Arp2/3 complex by cortactin and N-WASP.” Elife 2 (2013): e00884.
Ссылка на основную публикацию
Чем отличаются подгузники Merries (Мериес), GooN (Гун) и Moony (Муни) блог Моя БэТэшка
Как правильно подобрать подгузники и трусики MOONY, MERRIES, GOON, MAMYPOKO Только опираясь на своих опытах и наблюдения, хочу написать следующие...
Чем кормить ребенка при поносе что можно и нельзя, диета
Диета при диарее Диарея (понос) – функциональное нарушение работы кишечника, которое сопровождается усилением его перистальтики, пассажа (перемещение) пищевых масс, вследствие...
Чем лечится гастрит желудка
Лечение гастрита в Германии Гастрит (воспаление слизистой желудка) – это серьезное заболевание, опасное тяжелыми осложнениями. При отсутствии своевременного и грамотно...
Чем питаться при аллергии полезные и вредные продукты, диета и советы
Питание при аллергии: опасные и полезные продукты Основные продукты-аллергены К сожалению, список продуктов, которые могут стать катализатором нежелательной реакции, достаточно...
Adblock detector