Генетический контроль запоминания и памяти

Введение
Значение исследований генетических механизмов памяти состоит в том, что процесс адаптации, биологических ритмов и выживания любых биологических систем тесно связан с приобретением, сохранением, применением и преумножением опыта. Тело сложноорганизованных живых организмов хранит память миллионов лет предшествующего эволюционного развития. Фактически речь идет о существовании генетической памяти, которая обеспечивает процесс передачи наследуемых признаков из поколения в поколение. Эмбрион человека в процессе своего развития повторяет те этапы развития, которые уже прошли более просто организованные живые существа на Земли.
Исследование генетических механизмов памяти получило значительный толчок с развитием генно-инженерных технологий, которые обусловили совершено новый подход к исследованиям проблемы формирования различных видов памяти. Использование методов генной инженерии позволило провести ряд экспериментов, в ходе которых были получены сведения о том, что процессы запоминания и памяти обусловлены деятельностью ряда генов.
Методы генной инженерии дают возможность исследования практически всех аспектов развития и функционирования нервной системы, в том числе процессов обработки информации в нейронных сетях, поскольку именно через гены запускаются те молекулярные и клеточные механизмы, осуществляющие постройку нейронных сетей и управление ими. Разработав методику операций с генами для изменения их свойств, исследователи получат возможность следить за внутренней работой клеток и процессами внутрисетевых межклеточных взаимодействий.
1. Основные методики исследования генетических механизмов памяти
Память человека – это способность к запоминанию, хранению и воспроизведению полученной когда либо информации. Механизмы памяти весьма сложны и до сих пор полностью не изучены, однако известно что формирование памяти связано как образованием межнейронных связей, так и с формированием «памятного следа», природа которого также до конца не изучена.
В том случае, когда процесс возбуждения нейронов в ходе восприятия информации из внешней среды, продолжается длительное время, то сигнал доходит до ядер нейронов и запускает в последних процессы экспрессии конкретных генов. В результате этого нейроны начинают ускорять и изменять собственный метаболизм для обеспечения усиленной связи друг с другом и формирования нейронной сети памяти. Этот процесс делает возможным формирование воспоминания то есть специфического узора распространения процесса возбуждения, который повторяет исходный.
В случае кратковременной памяти нейронная сеть обусловлена обратимыми изменениями проводимости и существует только небольшое время, пока по ней циркулирует возбуждение. В данном случае активность клеток поддерживается не так долго, чтобы сигнал дошел до ядра и вызвал экспрессию ранее молчавших генов, а с ней — соответствующие необратимые структурные и химические изменения проводимости.
Факт существования генной экспрессии означает, что в исследование процессов запоминания и формирования памяти необходимо проводить на клеточном и генетическом уровнях.
Данный подход получил название нейроимиджинга. Для этого сначала нужно создать у экспериментального объекта воспоминание, с которым в дальнейшем и будет работать исследователь. Классическим объектом является лабораторная мышь. Животное предварительно обучат, в ходе чего оно получает некий новый опыт восприятия. Например, животное помещают в незнакомую обстановку или дают попробовать новый запах или вкус.
В это время в мозге животного идет процесс активизации определенной популяции нейронов

. Однако для того, чтобы новый опыт отложился в памяти животного, он должен обладать признаками значимости. Самым надежным способом придать значимость воспоминании является связь нового опыта и опасности. Чаще всего для этого в ходе проведения опыта мышь получает слабый разряд электрического тока. В итоге активировавшаяся популяция нейронов гарантированно сохраняет информацию о новых обстановке, звуке или запахе. Эта популяция нейронов представляет собой будет субстрат для имиджинга.
Иммуногистохимический метод имиджинга основан на коассической иммунореакции антиген—антитело. Срезы мозга животного, убитого вскоре после приобретения памяти, обрабатывается сывороткой, которая в своем составе содержит антитела. В качестве антигена выступает белок как продукт экспрессии немедленного раннего гена. Антитело конъюгировано (соединено) с меткой (флуоресцентной либо с ферментом, который тоже может дать цветную реакцию). Цветная или флуоресцентная реакция затем и регистрируется при помощи к микроскопа. Между белком-антигеном и меченым антителом обычно «встраивают» несколько видов промежуточных антител для усиления чувствительности [3].
Для того чтобы метод был более эффективным и возобновляемым в эксперименте наиболее удобно использовать специализированные линии трансгенных мышей, у которых промотор немедленных ранних генов находится под контролем системы tTA-tetO или Cre/loxP, но под промотором помимо гена флуоресцентного маркера находится последовательность, кодирующая опсин — светочувствительный белок.
Использование трансгенных линий лабраторных мышей дает возможнось исследовател не просто видеть модифицированные нейроны, но и управлять их активностью посредством световой стимуляции.
Стимуляция основана на том, что срабатывание нейрона основано на прохождении ионного тока через каналы в его цитоплазматической мембране. В покоящемся состоянии цитоплазма нейрона заряжена отрицательно относительно внеклеточной среды, то есть его мембрана поляризована. Возбуждение проявляется тем, что каналы открываются, и катионы устремляются внутрь клетки, деполяризуя мембрану.
Опсины, которые мы будем использовать (впервые добытые из клеток бактерий и водорослей), встраиваются в цитоплазматическую мембрану и при освещении определенной длины волны меняют свою конформацию, начиная пассивно пропускать катионы по градиенту концентрации (каналродопсин, СhR2) либо даже работать в качестве насоса и активно перекачивать анионы внутрь клетки (галородопсин, NpHR). В первом случае происходит деполяризация мембраны, и нейрон срабатывает. Во втором случае мембрана гиперполяризуется , и клетка становится нечувствительной к раздражению [1].
Таким образом, мы получаем возможность искусственно активировать или подавлять конкретные воспоминания. Подобные технологии получили название оптогенетики.
Особенно любопытен опыт, проведение которого стало возможным после открытия методов оптогенетики, в котором у мышей удалось произвести искусственное обучение. Авторы использовали систему tTA-tetO с доксициклином, а также каналродопсин для искусственного манипулирования нейронами. Вначале они предлагали мышам исследовать обстановку «А» и оптогенетически захватывали активирующуюся при этом популяцию нейронов. Затем они помещали мышей в другую обстановку — «B» — и наносили им удары током, одновременно активируя светом захваченную популяцию нейронов, сохранившую воспоминание об обстановке «А».
Последующая проверка показывала, что эта популяция связывалась у мышей с болевым стимулом: у животных возникала боязнь как при помещении их в обстановку «А», так и при прямой активации светом захваченных нейронов в совершенно посторонней обстановке