Мухи хранят информацию на «съемных дисках»

Схема синаптического контакта

Рис. 1. Схема синаптического контакта. Для формирования долговременной памяти нужно воспринять новый стимул, обработать информацию, консолидировать ее и сохранить в легкодоступном месте. Всё это выражается в синтезе конкретных белков и формировании новых синапсов между отростками нейронов. В результате информация (импульсы от раздражителей) начинает циркулировать по новому пути. Изображение c сайта biosingularity.com

Мозг насекомых сравнительно мал, но при этом они вынуждены анализировать большой объем жизненно важной информации. Поэтому увеличение эффективности работы мозга на ограниченном числе нейронов является для насекомых важнейшей задачей. Один из путей повышения эффективности — это хранить отдельно «оперативную» и «долгосрочную» информацию. Перефразируя компьютерную терминологию в биологическую, это означает разделить локализацию кратковременной и долговременной памяти. Тайваньским ученым удалось доказать, что именно этот способ повышения эффективности работы мозга насекомые и практикуют. Ученые нашли два нейрона, которые обеспечивают консолидацию долговременной памяти, ее хранение и доступ к ней из аналитического центра (грибовидных тел) при необходимости воспользоваться воспоминаниями.

Принципы формирования долговременной памяти были выведены Эриком Канделем, который в качестве экспериментального объекта взял моллюска аплизию. В результате мало кому известная аплизия прославилась, а Кандель получил Нобелевскую премию. Базовые принципы хранения и извлечения информации оказались сходными у моллюсков и человека. Потому эксперименты на других беспозвоночных могут многое прояснить в функционировании систем хранения информации даже для таких сложных систем, как человеческий мозг. В новейших экспериментах роль подопытного обработчика информации выполнила мушка дрозофила, уже прославленная генетиками, но еще не раскрывшая всех своих секретов нейрофизиологам.

Предположим, мухе предлагают в качестве условного раздражителя некий запах, а в качестве безусловного — удар электрическим током. Чувствительные нейроны в ответ на запах раздражаются и передают импульс в антеннальные доли головного мозга, а оттуда в грибовидные тела (все упоминаемые области показаны на рис. 2). Из грибовидных тел информационный импульс поступает в центральное тело (а точнее, в его часть, которая называется «эллипсоидное тело»). В то же время сигнал об электрическом раздражении поступает в грибовидное тело по дофаминэргическим нейронам. На фоне увеличения концентрации кальция дофаминовые рецепторы инициируют выделение аденилил-циклазы, а она в свою очередь приводит к выбросу цАМФ. ЦАМФ включает сигнальный каскад, в результате которого, в частности, синтезируется белок CREB (response element binding protein). Он отвечает за синтез новых белков и модификацию нейронных синапсов и, таким образом, за перевод информации в долговременную память. Теперь нейрон будет легче возбуждаться при предъявлении данного запаха. Примерно по такой схеме запоминается тот или иной запах. Замечу, что у мух долговременной памятью считается память от 1 до 7 дней, ее длительность зависит от технологии экспериментального обучения.

Схема нервной системы в голове у мухи

Рис. 2. Схема нервной системы в голове у мухи. Красным цветом показаны антеннальные доли, желтым — подглоточный ганглий, зеленым — зрительные доли, оранжевым — центральное тело, синим — грибовидные тела; в голубой цвет покрашены области нейропилярной массы, окружающей центральное и грибовидные тела. Изображение из обзора Мартина Хейзенберга Mushroom body memoir: from maps to models, Nature Neuroscience, 2003

Группа ученых из Национального университета Цинхуа (Тайвань) и специалисты из компании Dart Neuroscience (Сан-Диего, СЩА) задались вопросом: где локализованы процессы запоминания? Самое логичное предположение — в грибовидных телах. Ведь именно в эти участки поступает информация от обонятельных нейронов, именно там синтезируется цАМФ, там при предъявлении запахов в различных нейронах (в грибовидных телах различают три типа нейронов) происходит специфический выброс кальция. Это было выяснено группой Рональда Дэвиса с помощью визуализации кальциевых потоков в нейронах в экспериментах с обучением мух (см. статью The Long-Term Memory Trace Formed in the Drosophila α/β Mushroom Body Neurons Is Abolished in Long-Term Memory Mutants, The Journal of Neuroscience, 2011). Но вот где именно синтезируются новые белки, приводящие к построению новых синаптических контактов? В самих грибовидных телах? Или в другом месте?

Чтобы ответить на этот вопрос, были хитроумно спроектированы и изящно выполнены многотрудные эксперименты, в которых удалось манипулировать синтезом белков в отдельных нейронах. Тайваньская группа использовала в экспериментах линии мух со встроенной энхансерной ловушкой GAL4/UAS. Энхансерная ловушка — это великолепная методика, которая позволяет включать экспрессию нужного белка в крохотных (иногда — вплоть до одной клетки) клеточных группах мушиного организма. В данных экспериментах она потребовалась, чтобы включать белки Kaede и рицин. Kaede — это зеленый флуоресцентный белок, но не обычный, а фотоконвертируемый: после освещения ультрафиолетом он необратимо становится красным. Рицин же — это токсин, разрушающий рибосомы. Если он включен, то синтез белков останавливается. Данный эксперимент был спланирован так, что рицин работал температурозависимо: при 30°C он включался и нарушал синтез белка, а при 18°C вел себя совершенно невинно, и белок продолжал синтезироваться.

В результате при синтезе белков нейрон приобретает зеленый цвет, а при освещении ультрафиолетом окрашивается в красный цвет. Если повысить температуру, то синтез белка в отдельных нейронах (тех, где с помощью энхансерной ловушки включен рицин) остановится. Теперь, сравнив интенсивность красного и зеленого цвета (красный — то, что было, зеленый — свежесинтезированный), можно оценить уровень экспрессии до и после температурного шока, сравнить нормальный уровень синтеза с остановленным. Если во время обучения мух при повышенной и пониженной температуре зеленого и красного цвета в нейроне примерно поровну, то это означает, что белки, в том числе и необходимый регулятор формирования памяти CREB, синтезируются не в этом месте. Если же при повышенной температуре зеленого цвета оказалось меньше, чем при нормальной, а красного примерно поровну, то синтез происходит именно здесь.

Мух тренировали различать опасный запах, связанный с ударами током (здесь можно посмотреть видео того, как организованы тренировки). До проведения экспериментов мух облучали ультрафиолетовым светом и фиксировали уровень экспрессии белков в нейронах. После тренировок в Т-образном лабиринте по закреплению рефлексов — читай, запоминанию — насекомых немедленно фиксировали и исследовали соотношение красного и зеленого цвета в различных нейронах. Эта сложная система помогает понять, в каких местах идет активный синтез белков при формировании долговременной памяти и кратковременной. Кратковременную память, как считалось, можно зарегистрировать после серии последовательных тренировок, а долговременную — через день после тренировок.

Эксперименты были весьма и весьма кропотливыми, требовали огромной предварительной подготовки, но оно того стоило: оказалось, что запоминание запахов сопровождается экспрессией белков не в грибовидных телах. Ни один из трех типов нейронов этого участка мушиного мозга не был в обязательном порядке задействован в формировании долговременной памяти: если ингибировать рицином синтез белков в этих отделах, то мухи прекрасным образом вспоминали через день нужный запах и хорошо проходили тест в лабиринте. То есть, несмотря на ингибирование белкового синтеза в этом отделе, где-то CREB со своим каскадом всё же синтезировался, и память формировалась. Также не обязательными в этом процессе оказались и нейроны антеннальных долей и эллипсоидного тела. Зато обнаружилась интенсивная экспрессия генов в двух других симметричных нейронах протоцеребрума — так называемых DAL-нейронах (dorsal anterior lateral, спинно-передне-боковых).

Мозг дрозофилы

Рис. 3. Мозг дрозофилы. Хорошо видны грибовидные тела на переднем плане. Розовым цветом показаны DAL-нейроны, зеленым — нейроны, с которыми DAL формируют синапсы. Изображение из статьи Josh Dubnau Ode to the Mushroom Bodies в Science

Эти нейроны выходят из грибовидных тел и возвращаются обратно, формируя синаптическую передачу с определенными нейронами грибовидных тел. Именно в DAL-нейронах, а не в других отделах мушиного мозга, синтезируется CREB и зависимые от него белки. Это удалось показать с помощью трансгенных насекомых и в фармакологических тестах. При ингибировании в этих нейронах синтеза CREB долговременных воспоминаний не остается, а только кратковременные.

Также если прервать нервную передачу от DAL к грибовидным телам, то муха будет помнить только недавние тренировки, то есть проведенные не больше трех часов назад. А вот вспомнить вчерашний опыт тренировок мухи уже не в состоянии. Это означает, что долговременная память хранится в DAL-нейронах, а при необходимости происходит обращение к этим накопителям информации.

Проведенные эксперименты помогают обрисовать следующую схему. Обонятельный сигнал поступает от чувствительных нейронов к грибовидным телам, там информация обрабатывается вместе с синхронными сигналами от других рецепторов, и в результате формируется специфическая картина обонятельного возбуждения. Сгруппированная информация — кратковременная память — передается в DAL-нейроны. Под действием новых сигналов они трансформируют имеющиеся синапсы или отращивают новые. Так «сырое» воспоминание консолидируется, преобразовывается для долговременного хранения. При необходимости вспомнить обонятельный образ происходит обращение к DAL, и информация о запахе передается обратно в грибовидные тела.

Вся эта система напоминает компьютерную технологию обработки и хранения информации: при нехватке памяти тяжелые файлы и программы следует заархивировать и сбросить на съемные накопители или в отдельные сектора. А при необходимости в этой информации можно вновь обратиться к съемным накопителям и извлечь ее. По-видимому, у насекомых имеется именно такая нехватка оперативных мощностей — нервных клеток у них сравнительно мало. Потому и приходится организовывать их работу с предусмотрительностью. В этом ключе следует рассматривать разделенную локализацию обработки зрительной информации. У стрекоз, например, анализ зрительных образов происходит не только в грибовидном теле, но и в подглоточном ганглии (см.: По строению мозга стрекозы напоминают позвоночных, «Элементы», 21.03.2005). Создается впечатление, что и в этом случае грибовидное тело часть аналитической задачи делегирует другим отделам нервной системы.

Источники:
1) Chun-Chao Chen, Jie-Kai Wu, Hsuan-Wen Lin, Tsung-Pin Pai, Tsai-Feng Fu, Chia-Lin Wu, Tim Tully, Ann-Shyn Chiang. Visualizing Long-Term Memory Formation in Two Neurons of the Drosophila Brain // Science. 10 February 2012. V. 335. № 6069. Pp. 678–685.
2) Josh Dubnau. Ode to the Mushroom Bodies // Science. 10 February 2012. V. 335. № 6069. Pp. 664–665.
3) David-Benjamin G. Akalal, Dinghui Yu, Ronald L. Davis. The Long-Term Memory Trace Formed in the Drosophila α/β Mushroom Body Neurons Is Abolished in Long-Term Memory Mutants // The Journal of Neuroscience. 13 April 2011. V. 31. Issue 15. Pp. 5643–5647.

Елена Наймарк


5
Показать комментарии (5)
Свернуть комментарии (5)

  • UNV  | 04.04.2012 | 03:01 Ответить
    Значительные деньги вложены в данное исследование, судя по описанию. И прикладное значение просматривается. Чувствуется, грядущий киберпанк будет очень занимателен.
    Ответить
    • naimark > UNV | 04.04.2012 | 11:52 Ответить
      Это исследование было проведено за счет следующих грантов: "This work was funded by grants from Dart Neurosciences LLC, National Science Council, and Ministry of Education". Оно достаточно трудоемкое и требует участия самых разных специалистов, которым, естественно, нужно платить денежки. А будет или не будет создан киберпанк, не так важно, главное, что просматриваются содержательные направления для исследования памяти - основы нашего разума. Вот это действительно загадка из загадок.
      Ответить
      • UNV > naimark | 04.04.2012 | 12:33 Ответить
        Исследования памяти и основ личности - это очень важные исследования. Только вот обратив внимание на кризис гуманизма в мире (см. арабская весна и предшествующие цветные революции по миру, устраиваемые известно кем), я понимаю, что исследования подобного рода будут обращены во вред прежде, чем в пользу.
        Ответить
  • Nashev  | 16.04.2012 | 15:30 Ответить
    Единственно, резануло, что обращение к долговременной памяти происходит «при необходимости». Это ж нонсенс! Обращение к любой памяти самопроизвольно, ассоциативно! Воспоминания должны сами «всплывать» в соответствующем контексте, иначе они бесполезны.

    Я к тому, что необходимость наличия этого механизма в корне меняет риторику и делает невозможным использование метафор типа той, что вынесена в заголовок статьи.
    Ответить
    • kanzler > Nashev | 17.04.2012 | 21:58 Ответить
      По ассоциации всплывает кусочек из оперативной памяти и подключает за собой архивную часть
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»