Биологи из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна выявили механизм долговременной памяти. Мы знаем, что воспоминания создаются нервными клетками (нейронами) и затем хранятся в области мозга, называемой гиппокампом. Память формируются, когда повторяющаяся стимуляция нейронов укрепляет синаптические связи между нейронами. Долгосрочные воспоминания требуют особенно прочных синаптических связей. Синаптические связи между нейронами стабилизируются специфическими белками, кодируемыми генами, названными биологами их открывшими, “Непосредственно ранними генами” (IEG). Этм гены быстро активируются в ответ на прохождение сигналов. Это объясняет кратковременную память, но было непонятно, как IEG удается поддерживать долговременную память.
“Парадокс заключается в том, что для формирования долговременной памяти требуется длительное время – несколько часов – в то время как мРНК и белки, связанные с производством белка, исчезают менее чем за час”, — отмечает доктор Сулагна Дас, доцент кафедры клеточной биологии и первый автор исследования.
Пытаясь пролить свет на этот процесс, Дас с коллегами исследовали долгосрочную динамику генов после стимуляции нейронов у мышей. Они разработали модель мыши, в которой все молекулы мРНК гена Arc были флуоресцентно помечены. Ген Arc – это IEG, участвующий в различных формах синаптической пластичности и играющий важную роль в превращении нашего опыта в долгосрочные воспоминания.
Команда стимулировала синапсы в нейронах гиппокампа мыши, а затем, используя методы визуализации с высоким разрешением, провела визуализацию динамики мРНК Arc в режиме реального времени в отдельных нейронах в культуре и в тканях мозга.
Исследователи обнаружили, что одного всплеска стимуляции было достаточно, чтобы вызвать несколько циклов транскрипционной реактивации в одном и том же нейроне – циклов, в которых ген Arc, кодирующий память, производил молекулы мРНК, которые затем транслировались в белки Arc, укрепляющие синапс.
Таким образом, новые белки Arc вступают в положительную саморегулирующую обратную связь для повторного запуска транскрипции.
“Некоторые из белковых молекул, произведенных в результате этого первоначального синаптического стимула, возвращаются к Arc и вновь активируют его, инициируя очередной цикл образования мРНК и производства белка, за которым следует еще несколько”, — объясняет д-р Роберт Сингер, директор программы биологии РНК в колледже Альберта Эйнштейна и соавтор исследования.
Эта петля обратной связи, обеспечивающая формирование долгосрочных воспоминаний, ранее была неизвестна.
Далее команда отметила, что мРНК Arc, образующиеся в результате этих последовательных циклов, преимущественно локализуются на участках, помеченных предыдущим белком Arc, образуя таким образом трансляционные “горячие точки” вдоль дендритов, формируя локальные концентраторы белка Arc. Со временем эти “узлы” поддерживаются последующими циклами синтеза, локализации и трансляции мРНК.
“Эти циклы транскрипционно-трансляционного взаимодействия поддерживают экспрессию белка и обеспечивают механизм, с помощью которого кратковременное событие может поддерживать долговременную память”, — резюмируют исследователи в журнале Neuron. Доктор Сингер использует пример запоминания стихотворения.
В общем, биологи из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна выяснили, что чем больше циклов укрепления синапсов посредством образования генами Arc мРНК соответствующих белков, тем крепче запоминается событие. Но они не раскрыли почему одни события запоминаются, а другие не запоминаются. Явно есть какой-то механизм который управляет генами Arc мРНК, то заставляя их работать многократно, создавая долговременное воспоминание, то срабатывать однократно, позволяя кратковременно запомнить событие…