Нейрохимические и функциональные основы долговременной памяти

Проблема памяти — расшифровка ее механизмов и разработка принципов лекарственной регуляции — сегодня является одним из актуальных направлений нейрофизиологии, биохимии, психофармакологии. Накопление новых данных в этой области идет чрезвычайно быстрыми темпами, одна гипотеза сменяется другой. Многочисленные публикации, как правило, касаются лишь какой-то одной из узкоспециальных сторон проблемы. Это в равной степени относится и к изданной сравнительно недавно монографии Фармакология краткосрочной памяти, написанной одним из нас (Ю. С. Бородкиным) в соавторстве с В. А. Краузом.

В данной работе мы попытались обобщить большой и во многом противоречивый материал. Большой интерес представляют данные, полученные в Институте экспериментальной медицины АМН СССР не только авторами данного обзора, но и другими сотрудниками. Особенно перспективны исследования недавно описанного феномена артифициальной стабильной функциональной связи (АСФС) — своеобразной формы долговременной памяти со своими специфическими особенностями формирования и воспроизведения.

Механизмы памяти изучаются во многих научных учреждениях мира. Эта проблема по инициативе академика АМН СССР Н. П. Бехтеревой является одним из ведущих научных направлений и для Института экспериментальной медицины,— многопрофильного научно-исследовательского учреждения, где ведутся фундаментальные исследования и в то же время решаются насущные для сегодняшней медицины задачи. Этому институту, имеющему столь славные научные традиции, и посвящают авторы свой труд. Понимая, что это лишь определенный этап в разработке проблемы, мы с благодарностью примем все критические замечания, пожелания и любую новую информацию в этой области.

Пользуясь случаем, выражаем благодарность за консультативную помощь дру биол. наук О. И. Киселеву и канд. хим. наук Л. Б. Пиотровскому.

Введение

В настоящее время не вызывает сомнений, что поведение различных животных и человека определяется взаимодействием генетических факторов с факторами внешней среды. Если видовое поведение наследуется в форме жестко детерминированных инстинктов, то влияние внешней среды проявляется в основном через накопление индивидуального опыта, что определяет значительную лабильность и пластичность поведения организма.

Рассматривая память как общебиологическое явление, основной характеристикой которого является способность к накоплению, хранению и воспроизведению информации, можно легко усмотреть аналогию между наследованием признаков в ряду различных поколений организмов одного вида (генетическая или филогенетическая память), памятью поколений клеток разнообразных тканей организма, основанной на дифференциации определенного набора активных генов из идентичного для всех соматических клеток генома (эпигенетическая или тканевая память), образованием специфических антител в реакции на чужеродный белок (иммунологическая память) и приспособительными (адаптивными) изменениями в нервной системе при повторных воздействиях тех или иных факторов внешней среды (нейрологическая, онтогенетическая или адаптивная память). Поскольку процесс реализации генетической информации в нервной клетке находится в прямой зависимости от факторов внешней среды, предполагается, что в основе нейрологической, в частности долговременной, памяти так же, как и в основе других ее видов, лежат изменения структуры информационных макромолекул— дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), рибонуклеиновой кислоты (РНК) или белков.

Во всех без исключения клетках организма реализация информации всегда осуществляется в направлении ДНК↔РНК→белок и никогда наоборот. Следовательно, кодирование индивидуального опыта с помощью специальных типов РНК или ДНК невозможно без стадии передачи информации в направлении белок→РНК.

Гипотезы, которые постулируют изменение первичной, вторичной или третичной структуры ДНК или РНК под влиянием нервного импульса с последующим синтезом специфических РНК или белков, до сих пор не имеют экспериментального подтверждения.

В последнее время появились данные о возможности биосинтеза специфических пептидовконнекторов, которым отводится значительная роль в формировании специфического нейронного ансамбля, обеспечивающего хранение выработанного навыка. Предполагается, что синтез данных пептидов в цитоплазме и мембранных комплексах нейрона осуществляется нематричным путем. Необходимо подчеркнуть, что все перечисленные гипотезы обусловлены попыткой исследователей найти конечный молекулярный механизм кодирования внешней информации. Однако, даже выяснив внутреннюю природу этого процесса на уровне отдельного нейрона, трудно предсказать значение этих механизмов в столь общей функции мозга, как память.

Наверно, немногие возьмутся оспаривать, что память — это общая функция головного мозга, морфофункциональная организация которого определена всем ходом эволюции и направлена на обеспечение полной приспособляемости организма к условиям внешней среды. Уже в силу этого следует признать, что основные параметры деятельности ЦНС человека и животных (инстинкты, подвижность нервных процессов и память) преформированы и поэтому более устойчиво проявляются в широком диапазоне изменений внешней среды.

Как справедливо отмечает академик Б. А. Астауров (1971), данные качества мозга достаточно стойко определяются как врожденные наследственные свойства, чем другие, для окончательного формирования которых существенное значение имеют воспитание и научение.

Если это так, то научение, т. е. приобретение индивидуального опыта, можно рассматривать как последовательную реализацию генетических механизмов, участвующих в дифференциации нервной ткани, в регуляции нейрональной активности и обусловливающих специфическое взаимодействие нервных элементов под влиянием факторов внешней среды.

Следовательно, специфичность функции памяти заключается в активации определенной совокупности генов, связанных с синтезом специфичного, обязательно конечного набора макромолекул, обеспечивающих синхронную устойчивую длительную активность группы нейронов. В качестве таких макромолекул могут выступать структурные белки, обеспечивающие определенные свойства мембран нервных клеток (проницаемость, возможность переноса нейромедиаторов, метаболитов и др.), или ферменты, ответственные за синтез нейроспецифических белков мозга, пептидов, гормонов, нейромедиаторов, которые определяют и реализуют специфическую форму межнейронных взаимодействий, например в виде стойкого повышения синаптической проводимости.

Долговременная память

Долговременная память — это сложнейший процесс, который начинается с уровня отдельного нейрона, далее — нейронной популяции, отдельных структур и кончая головным мозгом в целом. Поэтому целостное представление об этой функции головного мозга можно составить, лишь обобщив экспериментальные данные, полученные с помощью математических, аналоговых, биофизических, нейрофизиологических, нейрохимических и нейрофармакологических методов исследования. Независимо от специальности, большинство исследователей полагают, что ключевым механизмом, обеспечивающим длительное хранение следа в ансамбле нейронов, является устойчивое повышение проводимости в области определенных синапсов.

На начальном этапе нейрофизиологические механизмы длительного хранения следа в принципе могут не отличаться от таковых при кратковременной памяти (длительная незатухающая реверберация в замкнутых цепях нейронов).

В данной монографии мы стремились уделить основное внимание нейрофизиологическому и нейрохимическому анализу роли синаптических механизмов в формировании и долговременном хранении энграмм и связанных с ними явлений. В частности, сочли необходимым подробно рассмотреть способы реализации внутриклеточных и синаптических механизмов деятельности нейрона, так как синапс является первым звеном, где происходит интеграция внешних сигналов, запускающих синтез информационных макромолекул и формирование импульсного кода, специфического для данного нейрона или группы нейронов.

Безусловно, мы еще далеки от построения идеальной модели хранения информации в долговременной памяти. Следовательно, тем более необходимо привлечь внимание к противоречивым фактам, с помощью которых пытаются объяснить механизмы хранения информации. В основном они связаны с отсутствием четких представлений о функциональной роли синтезирующихся в мозге белков, липидов и гормонов как в интимных процессах жизнедеятельности самого нейрона, так и в осуществлении различных функций головного мозга — обучения, памяти и мышления.

Учитывая, что способы передачи информации в ЦНС в каждом конкретном случае могут быть основаны на нейрофизиологических, нейрохимических или чисто физических процессах, накопление данных по функциональной биохимии нейрональных и синаптических белков и определение их места в структурных основах памяти может в той или иной степени приблизить нас к пониманию общих принципов работы головного мозга.


«Нейрохимические и функциональные основы долговременной памяти»,
Ю.С. Бродкин, Ю.В. Зайцев