Современные представления о макромолекулярных механизмах памяти

Автор Н.А. Тушмалова

Введение

Среди многочисленных направлений в изучении памяти макромолекулярный уровень занимает особое место. Преимущество этого подхода состоит прежде всего в том, что он позволяет выявить общие фундаментальные закономерности в механизмах памяти животных и человека. Однако заметим сразу, что с помощью такого подхода нельзя исчерпать весь содержательный объем такого сложного феномена, как память.

Один из основоположников молекулярной биологии — академик Андрей Николаевич Белозерский писал: «Между тем, если быть объективным, необходимо отметить: никогда и никто из настоящих ученых не считал, что молекулярная биология заменит все другие уровни изучения живого мира» [5, с. 3].

Сказанное о молекулярной биологии в целом полностью применимо, в частности, к оценке результатов изучения молекулярных механизмов памяти.

Изучение молекулярных механизмов памяти исторически связано с успехами биохимии, и прежде всего с биохимией нуклеиновых кислот. Всемирно известные работы шведского нейрохимика Н. Хидена (начало 50-х годов), изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти, положили начало многочисленным исследованиям в этой области.

Значительный всплеск исследований роли РНК в процессах памяти наблюдался после опубликования работ группы американских психологов, изучавших молекулярные механизмы памяти планарий.

Полученные факты продемонстрировали связь РНК с процессами памяти. Что же касается молекулярных механизмов памяти, то единственной попыткой их выделения была гипотеза Хидена, в которой РНК приписывалась кодирующая роль.

В настоящее время результаты этих исследований имеют историческое значение, так как последующие опыты не подтвердили подобное представление о роли РНК в механизмах памяти.

У нас в стране систематическое изучение молекулярных механизмов памяти началось в начале 60-х годов. Результаты этих исследований хорошо известны специалистам и неоднократно обобщались в обзорных статьях и монографиях [14, 17, 18, 19, 20].

1.
Сравнительно-физиологическое изучение макромолекулярных механизмов

В Московском университете на кафедре высшей нервной деятельности впервые для изучения молекулярных механизмов памяти был использован сравнительно-физиологический подход [30, 33].

Исследования в этом плане систематически проводятся нами с группой сотрудников, начиная с 1962 г. В основу выбора объектов исследования был положен принцип отличия их по степени морфологической организации нервной системы — на уровне ароморфозов. Известно, что прогрессивное развитие нервной системы является одним из важнейших выражений морфофизиологического прогресса [23]. Подчеркнем, что ароморфозы представляют «приспособления широкого значения» [37], обеспечивающие выживание организмов в условиях среды, более сложных и разнообразных, чем были у предков. Сказанное позволяет рассматривать результаты сравнительных данных, полученных на животных, сгруппированных по принятому критерию, в качестве общей эволюционной закономерности. Одновременно такой принцип позволяет экстраполировать результаты, полученные в экспериментах с животными, на человека.

В опытах были использованы 3 группы методических приемов: 1) общепринятые в физиологии высшей нервной деятельности методики (условнорефлекторные модели памяти); 2) приемы, специально разработанные для изучения памяти некоторых групп животных; 3) общеизвестные методики из арсенала цитологии и биохимии нуклеиновых кислот, впервые примененные нами для изучения механизмов памяти (в совместных исследованиях с соответствующими специалистами).

В качестве видов памяти использовались: привыкание к вибрационному раздражителю (инфузории, гидры), различные электро- и химические оборонительные условные рефлексы (планарии, моллюски), простые и цепные пищевые условные рефлексы (крысы, кролики).

2.
Роль рнк в механизмах памяти

Сравнительный анализ данных о роли нуклеиновых кислот в механизмах памяти обнаружил, что формирование памяти коррелирует с уровнем РНК в клетках. Участие РНК в фиксации и воспроизведении информации, поступающей из среды, было обнаружено у всех изученных животных независимо от их физиологических механизмов памяти. Так, формирование пищевых условных рефлексов у крыс сопровождалось повышением содержания РНК в ядре и цитоплазме пирамидных нейронов гиппокампа, введение РНК в среду положительно влияло на выработку условных рефлексов у планарий. РНКаза замедляла привыкание у инфузорий, тормозила обратимо оборонительные условные рефлексы у планарий, простые и цепные рефлексы крыс и кроликов [10, 11, 12, 31, 32].

Результаты экспериментов показали, что рибонуклеиновая кислота играет важную роль в механизмах памяти. Сказанное в равной степени относится как к элементарной краткосрочной, неассоциативной памяти (привыкание), так и к долговременной, ассоциативной (условнорефлекторной).

Результаты опытов, проведенных с использованием разнообразных методических приемов, позволили говорить о роли суммарной (информационной, транспортной и рибосомальной) РНК в процессах воспроизведения и фиксации информации.

Наши опыты не содержали доказательств кодирующей роли РНК. Сравнительный анализ результатов экспериментов показал, что роль РНК в механизмах памяти косвенно отражает участие белков в этом процессе. Опыты на животных разного уровня филогенеза, значительно отличающихся по структурной организации нервной системы, свидетельствуют об эволюционной универсальности выявленных закономерностей.

Действительно, для всех изученных видов оказалась характерной одна и та же закономерность: нарушение памяти при снижении уровня РНК в клетках. И наоборот, формирование памяти приводило к активации синтеза РНК.

Таким образом, необходимость участия РНК в процессах фиксации и воспроизведения может быть объяснена участием этой кислоты в общерегулярных клеточных процессах.

3.
Ультраструктурные корреляты памяти

Нами были проведены впервые в науке опыты по изучению ультраструктурных механизмов памяти. В опытах ставился вопрос том, в какой степени выявленные ранее закономерности отражаются в надмолекулярных (ультраструктурных) перестройках в цитоплазме клеток.

Основное внимание уделялось изучению внутриклеточных перестроек в органеллах, ответственных за белково-нуклеиновый синтез. Были исследованы ультраструктурные внутриклеточные изменения при формировании памяти у животных четырех уровней филогенеза: донервного (инфузории спиростомы). с примитивной нервной системой (пресноводные гидры), с ганглионарным мозгом (моллюски), с развитой нервной системой и дифференцированным мозгом (белые нелинейные крысы).

В клетках инфузорий наблюдались изменения, отражающие интенсификацию рибосомальной РНК (переход формы ядрышка в нуклеолонемную, ядрышко приобретает форму быстро растущей клетки). Важно отметить, что в контрольных опытах изменения в ядрышках отражали снижение синтеза РНК.

Изменения в цитоплазме в результате привыкания по сравнению с цитоплазмой необученных животных также свидетельствовали об интенсификации белкового синтеза (увеличение числа цистерн шероховатого эндоплазматического ретикулума и числа полисом) [15].

В нервных клетках гидр в результате привыкания наблюдалось увеличение числа ядрышек, упорядочение структуры гранулярного ретикулума. В нейросекреторных клетках — увеличение нейросекреторных гранул. Формирование условнорефлекторной памяти моллюсков также сопровождалось увеличением числа полисом, гранулярного эндоплазматического ретикулума в, нейронах церебрального ганглия.

Аналогичные изменения были отмечены и в нейронах поля СА—1 дорзального гиппокампа крыс в процессе выработки пищевых условных рефлексов [26, 27].

Анализ электронограмм показал, что при обучении и активном контроле в цитоплазме нейронов, обученных по сравнению с необученными животными, происходит увеличение числа полисом и протяженности гранулярного эндоплазматического ретикулума.

У долгообученных животных указанные изменения выражены ярче. Сравнительный анализ ультраструктурных изменений при обучении позволяет заключить, что в нейронах ингиппокампа крыс ультраструктурные перестройки выражены четче по сравнению с изменениями в клетках животных, стоящих на более низких уровнях филогинеза.

Таким образом, сравнительный анализ результатов опытов продемонстрировал однонаправленность внутриклеточных ультраструктурных сдвигов, отражающих формирование индивидуально приобретенной памяти у животных с разным уровнем организации нервной системы [36, 38].

Наши опыты показали также, что формирование памяти у животных различных уровней филогенеза и значительно отличающихся по морфологической организации нервной системы сопровождается ультраструктурными изменениями в цитоплазме А клеток, отражающими интенсификацию белкового синтеза (известно, что только агрегированные рибосомы способны синтезировать белок [25]). Подчеркнем, что сравнительно-физиологическое изучение роли РНК в механизмах памяти, как и исследование ультраструктурных изменений, сопровождающих процессы памяти, косвенно свидетельствовало об изменении матричной активности ДНК при обучении. Таким образом, полученные факты позволили предположить, что закономерности, выявленные при изучении роли белково-нуклеиновых перестроек, сопровождающих память, вторичны и отражают изменения в ДНК.

4.
Модификация днк мозга в процессе формирования памяти

В результате анализа собственных экспериментов и литературных данных нами была сформулирована гипотеза о возможном участии дезоксирибонуклеиновой кислоты в механизмах памяти — гипотеза параллельного кодирования [28]. Одним из основополагающих положений гипотезы служит тезис о возможности разделения функций между различными типами ДНК в зависимости от кодирования врожденной и приобретенной памяти. В литературе мы не обнаружили данных, непосредственно свидетельствующих о каких-либо изменениях в ДНК в связи с феноменом приобретенной памяти. Выяснение этого вопроса и явилось первым шагом в разработке гипотезы.

Различные пищевые и оборонительные условные рефлексы у белых беспородных крыс послужили основой моделирования памяти в наших опытах.

Конкретные эксперименты проводились в двух направлениях.

1. Изменение степени метилирования ДНК мозга при формировании условных рефлексов. Приступая к опытам, мы сосредоточили свое внимание на возможной экзимотической модификации ДНК, в частности на явлении метилирования [6]. Под уровнем метилирования ДНК понимается содержание в ДНК метилированных «минорных» компонентов. Установлено, что единственным минорным компонентом животных клеток является 5-метилцитозин. Уникальным донором СН, групп служит аденозмнметионин, который образуется в клетке в результате активирования аминокислоты метионина.

Мы не обнаружили литературных источников о связи метилирования ДНК мозга с механизмами индивидуально приобретенной памяти.

В наших экспериментах определялась степень метилирования ДНК у трех групп животных с выработанными пищевыми условными рефлексами у животных, получающих свет и пищу в случайном порядке, и у интактных животных.

Анализ результатов опытов показал, что у обученных крыс в отличие от контрольных (интактные) было обнаружено статистически достоверное увеличение степени метилирования ДНК гигапокампа и коры при отсутствии изменений в мозжечке: так, у опытных животных в коре содержание 5-мц было 1,45+0,13 по сравнению с контрольной группой — 1,07+0,07; в гиппокампе у опытных животных —1,63 + 0,04 по сравнению с контролем — 1,15+0,01; в мозжечке —соответственно 0,99 + 0,01 и 0,96 + 0,06. Было детально исследовано изменение степени метилирования в зависимости от прочности условных рефлексов при их угашении, в нейронах и глие [7, 8, 9, 13].

2. Синтез ДНК в мозге в процессе формирования памяти. После доказательства принципиальной Возможности модификации ДНК в процессах приобретенной памяти встал вопрос о возможной связи установленного феномена с синтезом ДНК при обучении.

В наших опытах синтез ДНК в неокортексе и мозжечке крыс на разных стадиях изучался у трех групп животных: с выработанными условными рефлексами, получающими условные и безусловные раздражители в случайном порядке (активный контроль) и у интактных животных [ 1, 2, 3, 4].

Анализ результатов показал, что выработка условных рефлексов сопровождается значительной интенсификацией синтеза ДНК в неокортексе, синтез ДНК в мозжечке при этом существенно не менялся. Оказалось, что индукция синтеза ДНК в неокортексе приурочена в основном к периоду выработки условного рефлекса и первым часам его сохранения. Она коррелирует с обратимым повышением уровня метилирования ДНК мозга при обучении. Опыты показали, что отмеченная индукция синтеза ДНК при обучении связана главным образом с нейрональными элементами неокортекса.

Весьма существенно, что вновь синтезированная при обучении, ДНК не отличается от суммарной ДНК неокортекса по степени метилирования, т. е. повышение уровня метилирования ДНК при обучении не связано с синтезом каких-либо богатых метилированными остатками последовательностей ДНК. Индуцированный обучением синтез ДНК избирателен и связан с последовательностями ДНК, повторенными в геноме около 10—20 раз.

На основе выявленных закономерностей можно предположить, что индуцированный обучением избирательный синтез ДНК в неокортексе связан с активацией экспрессии генов, т, е. с механизмом репарации.

Интенсификация репарации может быть способом возвращения уровня метилирования ДНК, к исходной величине, заключающейся в выщеплении возникших при обучении «лишних» остатков 5-метилцитозинах и «застройке» образующихся при этом брешей в ДНК, т. е. происходит эксцезионная репарация, в которой существенная роль принадлежит ДНКазам мозга [16].

Заключение

Сравнительно-физиологическое изучение макромолекулярных и ультраструктурных основ памяти продемонстрировало однонаправленность внутриклеточных изменений, отражающих формирование памяти у животных разного уровня филогенеза и обладающих различными функциональными механизмами. Эти изменения сопровождали формирование как краткосрочной памяти (привыкание к различным воздействиям у донервных одноклеточных организмов и кишечнополостных, у которых впервые в эволюции появляются нервные клетки), так и относительно сложной долговременной условнорефлекторной памяти (моллюски, крысы).

Выявленная закономерность может служить свидетельством универсальности описанных явлений. Одним из объяснений такой универсальности представляется положение о том, что внутриклеточные макромолекулярные процессы, сопровождающие накопление и воспроизведение информации, сформировались на ранних стадиях филогенеза и в ходе дальнейшей эволюции принципиально не менялись. Исходя из теоретических представлений Л. А. Орбели о том, что в процессе эволюционного развития старые функциональные отношения не уничтожаются, а лишь затормаживаются новыми, можно представить, что протоплазма нервных клеток сохраняет возникшую на уровне простейших способность формировать следы за счет макромолекулярных перестроек.

Наши данные позволяют разделить точку зрения Е. Н. Соколова [24] о том, что наличие памяти у одноклеточных заставляет рассматривать теории памяти, основанные на образовании контактов, скорее как усложнения при переходе к взаимодействию нейронов, чем как собственно основу памяти.

Универсальность закономерностей, выявленных при сравнительно-физиологическом подходе к изучению молекулярных механизмов памяти, позволяет предположить существование общего для животных (разных уровней филогенеза) и человека механизма записи приобретенной информации. Несмотря на то что вопрос о молекулярных механизмах памяти нельзя считать окончательно закрытым, результаты этих исследований уже сейчас представляют большое практическое значение —прежде всего при разработке универсальных опособов управления поведением в норме и патологии на молекулярном уровне.

В частности, разультаты наших исследований были использованы в клинике нервных болезней 1-й ММИ им. И. М. Сеченова для лечения больных, страдающих нарушениями краткосрочной памяти по типу синдрома Корсакова [22]. Изучение степени модификации ДНК мозга используется в качестве одного из показателей глубины пептидной коррекции памяти, нарушенной различными стрессовыми факторами [35].

К наиболее перспективному направлению дальнейшего изучения макромолекулярных механизмов памяти следует отнести, на наш взгляд, прежде всего анализ участия различных типов ДНК эукариот в формировании памяти [34].

ЛИТЕРАТУРА

Ашапкин В. В., Романов Г. А., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Индукция синтеза ДНК в мозгу крыс при обучении // Биол. науки. Т. 981, № Ц С. 30—34.
Ашапкин В. В., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Индуцированный обучением избирательный синтез ДНК в мозге крыс // Биохимия. 1983 Т 48 вып. 3. С. 355—362.
Ашапкин В. В., Тушмалова Н. А. О механизмах активации генома при формировании памяти // Механизмы пластичности мозга: Материалы Всесоюз. симпоз. Махачкала, 1982. Т. 1. С. 43-44.
Ашапкин В. В. Синтез ДНК в мозге крыс при формировании условно-рефлекторной памяти: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М, 1983. 20 с.
Белозерский А. 77. Молекулярная биология — новая ступень познания природы. М., 1970. 188 с.
Ванюшин Б. Ф. Метилирование ДНК в клетках различных организмов // Успехи соврем, биологии. 1974. Т. 77, вып. 2. С. 68—90.
Ванюшин Б. Ф., Тушмалова Н. А., Гуськова Л. В. Метилирование ДНК мозга как показатель участия генома в механизмах индивидуально-приобретенной памяти // Докл. АН СССР. Сер. биол. 1974. Т. 219, № 3. С. 742—744.
Ванюшин Б. Ф., Тушмалова Н. А., Гуськова Л. В. и др. Изменения уровня метилирования ДНК головного мозга крыс при выработке условного рефлекса // Молекуляр. биология. 1977. Т. 11, № 1. С. 181—187.
Витвицкая Л. В. Метилирование ДНК различных отделов мозга крыс в процессах условнорефлекторной деятельности: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М., 1977. 19 с.
Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А., Данилова Р. А., Казеннова И. И. Сравнительно-физиологические данные о влиянии рибонуклеазы на условные рефлексы // Конференция по проблемам памяти. Пущино, 1966. 15 с.
Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А., Казеннова 77. И. К вопросу о роли рибонуклеиновой кислоты в процессе сохранения временной связи//Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1968. Т. IS, вып. 1. С. 3—9.
Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А. К вопросу об участии рибонуклеиновой кислоты гиппокампа в механизмах памяти // Гагрские беседы. Тбилиси, 1972. Т. 6. С. 309—324.
Гуськова Л. В., Бурцева Н. Н., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Уровень метилирования ДНК ядер нейронов и глин коры мозга крыс и его изменения при выработке условного рефлекса // Докл. АН СССР. 1977. Т. 233, № 5. С. 939—996.
Дергачев В. В. Молекулярные и клеточные механизмы памяти. М., 1977. 256 с.
Зазулина И. В. (Маракуева). Исследование ультраструктурных механизмов привыкания у инфузорий спиростом: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М., 1979. 20 с.
Иванов В. А., Терпиловская О. 77., Третьяк Т. М., Смирнова Г. И. Характеристика ДНКазы головного мозга крыс // Биохимия. 1982. Т. 47, № 3. С. 398—404.
Кометиани П. А., Алексидзе Н. Т., Клейн Е. Э. Нейрохимические аспекты памяти. Тбилиси, 1980. 198 с.
Кометиани 77. А. Биохимические аспекты памяти животных. Тбилиси, 1972. 65 с.
Кругликов Р. И. Нейрохимические механизмы обучения и памяти. М., 1981. 211 с.
Крылов О. А. К анализу клеточных и молекулярных механизмов фиксации адаптивной памяти // Успехи физиол. наук. 1979. Т. 10. С. 3—22.
Орбели Л. А. Об эволюционном принципе в физиологии // Избр. тр. М., 1969. Т. 1. С. 122—132.
Попова Л. Т., Солдатова С. А., Тушмалова Н. А., Семенова Т. П., Утешев В. К. Опыт применения рибонуклеиновой кислоты при нарушениях памяти по данным клинических и экспериментальных исследований//Проблемы афазии и восстановительного обучения. М., 1975. С. 232—240.
Северцов А. Н. Главные направления эволюционного процесса. М., 1967. 201 с.
Соколов Е. Н. Механизмы памяти. М., 1969. 175 с.
Спирин А. С, Гаврилова Л. П. Рибосома. М., 1971. 254 с.
Тушмалова Н. А., Глезер И. И., Иванова Л. И. Электронно-микроскопическое исследование нейронов гиппокампа в процессе выработки условных рефлексов // Сообщ. XI съезда Всесоюз. физиол. о-ва. Л., 1970. С. 117— 119.
Тушмалова Н. А., Прокофьева Л. И. Ультраструктура нейронов гиппокампа при выработке условных рефлексов у крыс//Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1973. Т. 23, вып. 3. С. 651—652.
Тушмалова Н. А. Гипотеза параллельного кодирования памяти // Биол. науки. 1973. № 6. С. 37—41.
Тушмалова Н. А., Зазулина И. В., Поляков В. 70. Изучение ультраструктурных изменений, сопровождающих элементарную форму памяти//Тез. докл. III конф. по памяти. Пущино, 1974. С. 320.
Тушмалова Н. А. Сравнительно-физиологическое исследование структурно-функциональных механизмов памяти: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 1976. 35 с.
Тушмалова И. А., Куракина М. Н. Цитофометрическое определение содержания РНК в нейронах дорзального гиппокампа при выработке условного рефлекса // Вестн. МГУ. 1976. № 4. С. 33—35.
Тушмалова Н. А. О сравнительно-физиологическом подходе в изучении макромолекулярных механизмов памяти // Регулирующие механизмы памяти: Междунар. симпоз. Л., 1980. С. 18—21.
Тушмалова Н. А. Сравнительно-физиологическое изучение ультраструктурных коррелятов индивидуально-приобретенного поведения//Механизмы поведения. М., 1983. С. 13—14.
Тушмалова П. А. Использование принципа единства структуры и функции при изучении роли ДНК в механизмах индивидуально-приобретенной памяти: (К вопросу о стратегии исследования)//Нейрохимические механизмы регуляции памяти: Тез. докл. Всесоюз. симпоз. Пущино, 1984. С. 7.
Тушмалова Н. А., Ашапкин В. В., Квекескири Н. Л. Пептидная коррекция памяти нарушенной пищевой депривацией у крыс // Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1986. Т. 36, вып. 5. С. 925—927.
Тушмалова Н. А., Маракуева И. В. Сравнительно-физиологическое исследование ультраструктурных аспектов памяти. М., 1986. 148 с.
Шмальгаузен И. И. Проблемы дарвинизма. Л., 1969. 317 с.
Tuschmalova N. A. On subcelluar correlates of memory // Activ. nerv. super. 1977. Vol. 19, N 2. P. 147.