Ассоциативная память характеризует животных и связана с работой нервной системы. Нервная система возникла как орган «быстрого и интегрированного реагирования» на ситуационные изменения в окружающей среде (Савельев, 2005). Она напрямую связана с подвижностью животных, жизнь которых во многом зависит от того, насколько те быстро могут ориентироваться в природе, т.е. воспринимать и различать внешние сигналы и адекватно реагировать на них. Сообразно этой тройственной задаче, требующей быстрых решений, шло развитие у животных специализированных клеток, получивших название нервных, а на их базе — нервной системы. Задача распознавания сигналов может быть решена лишь при наличии аппарата памяти. Растения и грибы пластичны в целом, у животных особой структурной пластичностью обладает лишь нервная система. Мы начнем обсуждение нейронной пластичности и памяти с феномена клеточной памяти.
Память — процесс, характеризующийся приобретением, хранением и воспроизведением заученного. Если коротко, память есть вспоминание прошлого опыта (Tully et al., 2004). Это определение, по существу, повторяет определение Ламарка, данное им в третьей части Философии зоологии: «Память — не что иное, как воспоминание о фактах, о которых мы могли составить себе определенное представление». Биологию, конечно, интересует собственно не сама память в данном выше значении, а ее биологическое, или лучше сказать, физиологическое выражение. Подход к изучению физиологических механизмов памяти разработал Иван Петрович Павлов (1849-1936). Его метод состоял в том, чтобы, пользуясь ограниченным набором калиброванных раздражителей, связать их у животных в памяти, которую далее и исследовать в физиологическом плане. Этот подход является ведущим и сейчас, хотя элементы памяти исследуют глубже, теперь уже на молекулярной уровне. Таким образом, когда мы говорим о памяти у животных (в физиологическом ее значении), то имеем в виду память, возникающую в различных моделях научения. Используемые модели обучения и физиологического изучения памяти у животных являются достаточно простыми, но это позволяет выявить гены, контролирующие соответствующие элементы памяти. Различают ассоциативные и неассоциативные модели. Из последних обычно используются следующие две (см. Кэндел, 1982): 1. Привыкание (габитуация) — ослабление реакции при многократном применении раздражителя; 2. Сенситизация (sensitization), при которой ответ животного на индифферентный стимул увеличивается после воздействия беспокоящего стимула и память об этом сохраняется некоторое время. Физиологические механизмы, лежащие в основе сенситизации, называют фацилитацией (facilitation). В неассоциативных моделях обычно имеет место пресинаптическое совпадение возбуждений двух нейронов, один из которых является модулирующим, изменяющим процессы в аксоне. Ассоциативной моделью является: 3. Классическое условнорефлекторное обучение (павловское сочетание условного и безусловного стимулов). В ассоциативных моделях происходит возбуждение в двух нейронах, пресинаптическом и постсинаптическом. Из сказанного следует, что специфика нейронной памяти связана с взаимодействием двух и более клеток и в своем элементарном виде должна выражаться через сопряженные молекулярные механизмы в пресинаптической и постсинаптической клетках. В динамическом плане, т.е. при рассмотрении становления памяти во времени, различают краткосрочную (кратковременную) и долгосрочную (долговременную) память, а у насекомых еще и среднесрочную. Мюллер и Пилзекер (Mtiller, Pilzecker, 1900) в своих классических опытах по изучению консолидации (фиксации) памяти показали, что, если два последовательных приема информации разделены небольшим периодом времени, то информация, принятая первой, может не запомниться. Из этого следует, что консолидация памяти связана с какими-то материальными изменениями в нервных клетках. Говоря ниже о памяти у животных, мы будем иметь в виду лишь те ее формы, для которых известны физиологические механизмы. Последние многообразны и, можно предполагать, что, по крайней мере, некоторые из них будут нуждаться для своего описания в дробной и более сложной системе понятий. Что это так, можно видеть на примере изучения (в рамках павловской модели) становления ольфактор-ной памяти у плодовых мушек (Drosophila). Стандартная схема опытов включает два запаха, один из которых сопровождается электрическим шоком; задача обучения - научить мух избегать ассоциированный с шоком запах. Соответствующий механизм памяти формируется в клетках Кениона грибовидных тел мозга. У мух выделено пять генетически очерченных временных фаз развития памяти, некоторые из которых оформляются независимо и параллельно (Margulies et al., 2005). Первая фаза связана с восприятием информации. Она находится под контролем многих генов, в том числе leonardo (кодирует 14-3-3-белок, связанный с Ras-сигнальным каскадом), fascilin II, и volado (два последних кодируют адгезивные белки — иммуноглобулиновый гомолог NCAM и интегрин, соответственно). Иногда упоминают гены latheo (кодируемый белок регулирует кальций-зависимый выход ней-ропереносчика) и linotte (кодирует рецептор с тирозин-киназной активностью). Но эти гены имеют более широкие функции и значимы для развития нервной ткани (Davis, 2005). В следующей фазе, контролируемой генами rutabaga (кодирует аденилатциклазу) и dunce (кодирует цАМФ-специфичную фосфодиэстеразу), формируется краткосрочная память, которая при определенных обстоятельствах переходит в среднесрочную, контролируемую (через регуляцию цАМФ-каскада) геном amnesiac. Среднесрочная память может консолидироваться либо в особую нечувствительную к анестезии память (ARM — находится под контролем гена radish), либо в долгосрочную, о которой мы будем говорить дальше. Эта последняя контролируется большим списком генов, из которых упомянем наиболее изучаемые crammer, staufen и pumilio. Первый ген кодирует белок, ингибирующий цистеиновые протеазы и, следовательно, регулирующий их работу. Кодируемые белки двух других генов являются ключевыми элементами транслокационного аппарата по перемещению рибонуклеопротеинов.
Синаптическая память у многоклеточных животных
Память у животных опосредуется через структурные изменения нервных клеток. Краткосрочная память сохраняется от минут до часов и обычно выражается в ковалентной модификации через фосфорили-рование и дефосфорилирование уже существующих мембранных белков-ферментов, рецепторов и ионных каналов. Часто используется наличный запас мРНК для производства дополнительных мембранных белков. В этом случае рибосомы и мРНК перемещаются из дендритов в возбужденные синаптические выросты (о них дальше). Под действием сигналов от рецепторов начинается синтез белков. Судя по составу мРНК (см., например, Steward, Schuman, 2003), в основном это синаптические мембранные рецепторы, киназа CaMKII, участвующая в комплексировании рецепторов, кальмодулин, дендрин и ряд других белков, улучшающих работу синапсов. Краткосрочная память, таким образом, формируется самое большее через процессы трансляции, но не транскрипции. Долгосрочная память связана с образованием новых синапсов и активацией «молчащих», создаваемых нейронами про запас, на случай необходимости быстрого запоминания большого объема информации. В обоих случаях речь идет о структурно-морфологических изменениях нервной клетки, выражающихся, прежде всего, в росте дендритов и появлении на них особых синаптических выростов (спинул). Кроме того, наблюдается аксональный рост, сопровождаемый движением аксонов одних нейронов к дендритам других нейронов, с которыми они устанавливают синаптическую связь. Все это требует синтеза большого объема новых белков, т.е. работы генетического аппарата. Долгосрочная память, таким образом, формируется через процессы транскрипции.
Синапсы
Под синапсами понимают особый тип неплотного межклеточного соединения между нервными или нервными и мышечными клетками, разделенными узкой синап-тической щелью шириной 20-30 нм. Синапсы отличаются от других типов клеточных контактов по механизму передачи сигналов (нервного импульса) посредством секретируемых молекул особого класса, так называемых нейротрансмит-теров. Нейротрансмиттеры накапливаются в мембранных пузырьках (синаптических везикулах) внутри пресинаптической клетки и по мере необходимости высвобождаются через экзоцитоз в межклеточную щель. Большой комплекс белков участвует в процессах формирования синаптических везикул. На рисунке отмечены некоторые из них: VGAT (vesicular GAB A/ glycine transporter) — транспортер везикул в тормозных синапсах; синапсин — фактор, необходимый для освобождения содержимого везикул и связанный с работой рецепторной тиро-зинкиназы (Trk) и МАРК-каскада (обеспечивающего фосфори-лирование фактора). Рецепторы для нейротрансмиттеров находятся в мембране противолежащей постсинаптической клетки. Активная область выхода нейротрансмиттера обычно занимает срединную область, которой часто соответствует более широкая синаптическая щель. По периферии активной зоны щель сужается и здесь пресинаптическая и постсинаптическая клетки жестко соединены между собой через N-кадериновое сцепление. Другими молекулами, обеспечивающими сцепление нейронов, являются протокадерины, SynCAM и NCAM (synaptic- и neural cell adhesion molecules), нектины (Sytnyk et al., 2004). В нейро-мышечных синапсах, напротив, нервное окончание образует на конце расширение, окруженное шванновской клеткой. В мембране противолежащей мышечной клетки образуются рецепторы для агрина, ацетилхолина, нейрегулина и других секретируемых молекул. Эти лиганды накапливаются в мембранных пузырьках внутри аксона и изливаются наружу в процессе экзоцитоза. Агрин действует на Musk-рецептор, который отличается тирозинкиназной активностью. В поле действия этого рецептора становятся активными рецепторы для нейрегулина. Нейрегулин, соединяясь со своим рецептором стимулирует транскрипцию ацетилхолинового рецептора. В итоге рецепторы для пресинаптических аксональных лигандов, распределенные вначале равномерно по всей поверхности мышечной клетки, начинают концентрироваться в точках контакта с нервным окончанием. Нас здесь будут интересовать нейронные синапсы. Среди них выделяют две основные группы: синапсы возбуждения и синапсы торможения. Работа первых опосредуется через хемоуправляемые каналы постсинаптической клетки, основными лигандами которых являются глутамат (глутаминовая кислота и ее производные). Соответствующие рецепторы называют глютаматергическими. Среди них отметим AMPA(a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic а)-рецепторы и NMDA (N-methyl-D-aspartate)-peHenTopbi. Постсинаптическая мембрана обычно находится на особом дендритном выросте (спинуле), внутри которого различают так зываемое постсинаптическое уплотнение (ПСУ — PSD, р< synaptic density). Оно представляет собой связанную конструкцию белков, служащих платформой для трансмембранных рс цепторов и одновременно ретранслятором сигналов вглубь нейрона. Из этих белков отметим синапс-ассоциированные белки (SAP, synapse-associated proteins) из семейства гуанилат-киназ, ассоциированных с мембраной (MAGUK — membrane-associated guanylate kinase), в частности SAP-97 (связан с АМРА-рецешо-ром) и PSD-95 (SAP-90), связанный с NMDA-рецептором. Соответствующие синапсы называ-ют гамкергическими и глицинергическими. Постсинаптическая мембрана обычно формируется в результате преобразования мембраны ствола дендрита, т.е. без образования дендритного выроста. Соответственно здесь работает другая и менее сложная система платформенных белков, ключевым из которых является гефирин. Известен ряд других белков, сопряженных с ГАМК-рецепторами, функция которых недостаточно ясна. Таковы GABARAP (GABA receptor-associated protein) и НАР-1 (Huntington-associated protein 1). ГАМК индуцирует процессы торможения внутри пресинаптического и постсинаптического нейронов. Однако при взаимодействии с глутаматерги-ческими рецепторами ГАМК может вызывать возбуждение. Рост аксонов осуществляется через образование на растущем конце уплощенного (ламеллиподиального) расширения. От этого расширения идут направленные в разные стороны филоподии с внутренним стержнем из пучка полимеризованного актина (Dickson, 2002). Получается подобие ладони с растопыренными пальцами. Аксон до концевого расширения укреплен срединным пучком микротрубочек, которые в отличие от растений и грибов участвуют в росте аксона на вторых ролях. Филоподии растут по градиенту аттрактанта и, кроме того, уменьшаются по длине при попадании в область действия репеллента. За счет этого филоподии на обращенной к репелленту стороне растущего конуса будут убираться, а сам конус изменит направление движения. Аксональный конус, приблизившись к дендриту, сцепляется с ним посредством трансмембранных NCAM-белков (о них дальше). Как результат запускаются процессы синаптогенеза. Сам аксон прорастает сбоку новым конусом роста и, как бы обтекая дендрит с одной стороны, двигается к следующим точкам контакта с тем же или другими дендритами (Sytnyk et al., 2004). Дендритные спинулы (dendritic spines) лежат в основе долгосрочной памяти (Kasai et al., 2003). Термин «spine» в свое время (Иверсен, 1982) был переведен как шипик, что мало соответствует форме и назначению этих структур. Отмечено несколько механизмов их образования (Ethell, Pasquale, 2005). В молодых пирамидных нейронах синапсы расположены непосредственно на нейронных отростках. В зрелых нейронах дендрит образует спинулу вокруг постсинаптического уплотнения, которое, таким образом, оказывается на вершине спинулы. В других случаях дендриты образуют филоподии, которые в дальнейшем преобразуются в различные по форме спинулы (грибовидные с четко выраженной головкой и шейкой, короткие и толстые, без отчетливой головки и другие). Спинула имеет два главных структурно-функциональных компонента: постсинаптическое уплотнение (ПСУ — PSD) и актиновый цитоскелет. ПСУ включает различные рецепторы, склеивающие и платформенные белки. О первых двух мы еще будем говорить дальше. Среди платформенных отметим PSD-95, белки Shank, Homer и другие. В образовании цитоскелета спинул ключевую роль играет дребрин — основной актин-связывающий белок мозга. Дребрин ингибирует активность тропомиозина и а-актинина. В фибробластах он преобразует обычные филоподиальные актиновые пучки (из параллельных нитей, связанных между собой через определенные промежутки нитями а-актинина) в толстые скрученные тяжи. Возможно, что и в спинулах имеет место близкое изменение актиновых пучков. Во всяком случае от дребрина зависит процесс удлинения спинул. При формировании долгосрочной памяти имеет место увеличение размеров спинул. Молчащие синапсы связаны с маленькими спинулами или располагаются непосредственно на нервных нитях (Kasai et al., 2003). Терминальная поверхность растущих спинул насыщается большим числом трансмембранных рецепторов и оформляется в область синаптического взаимодействия дендрита с аксоном. Синаптические спинулы показывают необычайно высокую динамику. На их развитие требуется несколько минут. Они могут менять свои размеры, в частности в течение каких-то нескольких секунд на 30% увеличиваться или уменьшаться в длину или в толщину. За их расширением может следовать разделение синаптического выроста на два с образованием двух (вместо одного) синаптических уплотнений, т.е. поверхностей непосредственного синаптического контакта дендрита с аксоном. Более того, головка спинулы также показывает высокую пластичность. На ней постоянно возникают и убираются с ритмом в несколько секунд еще более тонкие микроспинулы — spinules (Ethell, Pasquale, 2005). Во всех этих процессах ключевая роль принадлежит актиновому скелету. Микротрубочковые тяжи образуют каркас внутри отростков нейрона, тогда как актиновые волокна образуют скелет внутри филоподий и спинул. Форма последних во многом определяется динамикой актина. Так, латрункулин А, ингибитор актина, преобразует дендритные спинулы в филоподий. Немаловажное значение имеет внеклеточный матрикс. В частности, синдекан (трансмембранный протеогликан с нитями из гепарансульфата, иногда с примесью хонд-роитинсульфата и дерматансульфата), фосфорилируемый EphB-рецеп-тором, важен для превращения филоподий в зрелые спинулы (Yamagata et al., 2003). Из сказанного следует, что долгосрочная память у животных связана и выражается в структурной пластичности нервных клеток, в частности их синаптического аппарата (Leuner et al., 2003; Lamprecht, LeDoux, 2004), т.е. опосредуется через механизмы раздражимости. Наконец, для решения принципиально новых задач в зубчатой извилине гиппокампа и обонятельной луковице (у позвоночных) или в грибовидных телах (у насекомых) активируются процессы нейрогенеза, т.е. имеет место дифференциация новых нейронов из нейральных стволовых клеток (Scotto-Lomassese et al., 2003; Abrous et al., 2005). Последние начинают делиться, затем следует их перемещение, дифференциация и встраивание в уже существующую нейронную сеть. Нейрогенез у взрослых организмов также можно отнести к реакциям раздражимости. Наряду с этим при становлении долгосрочной памяти задействованы и общие для всех клеток механизмы, основанные на изменении гистонов. Формирование памяти начинается с приема сигнала внешними рецепторами, например, зрительными или ольфакторными, которые передают сигнал в нервную систему виде электрохимического возбуждения (потенциала действия). В результате возбуждения активируются синаптические связи, т.е. связи нейронов, осуществляющиеся через синапсы. Как уже было сказано, при относительно низком возбуждении нейрона формируется так называемая краткосрочная память, которая в дальнейшем может консолидироваться в долгосрочную. Прежде чем говорить о становлении долгосрочной памяти, Дадим развернутую характеристику внутриклеточных сигнальных путей.
Память у животных
Память — процесс, характеризующийся приобретением, хранением и воспроизведением заученного. Если коротко, память есть вспоминание прошлого опыта (Tully et al., 2004). Это определение, по существу, повторяет определение Ламарка, данное им в третьей части Философии зоологии: «Память — не что иное, как воспоминание о фактах, о которых мы могли составить себе определенное представление». Биологию, конечно, интересует собственно не сама память в данном выше значении, а ее биологическое, или лучше сказать, физиологическое выражение. Подход к изучению физиологических механизмов памяти разработал Иван Петрович Павлов (1849-1936). Его метод состоял в том, чтобы, пользуясь ограниченным набором калиброванных раздражителей, связать их у животных в памяти, которую далее и исследовать в физиологическом плане. Этот подход является ведущим и сейчас, хотя элементы памяти исследуют глубже, теперь уже на молекулярной уровне. Таким образом, когда мы говорим о памяти у животных (в физиологическом ее значении), то имеем в виду память, возникающую в различных моделях научения. Используемые модели обучения и физиологического изучения памяти у животных являются достаточно простыми, но это позволяет выявить гены, контролирующие соответствующие элементы памяти. Различают ассоциативные и неассоциативные модели. Из последних обычно используются следующие две (см. Кэндел, 1982): 1. Привыкание (габитуация) — ослабление реакции при многократном применении раздражителя; 2. Сенситизация (sensitization), при которой ответ животного на индифферентный стимул увеличивается после воздействия беспокоящего стимула и память об этом сохраняется некоторое время. Физиологические механизмы, лежащие в основе сенситизации, называют фацилитацией (facilitation). В неассоциативных моделях обычно имеет место пресинаптическое совпадение возбуждений двух нейронов, один из которых является модулирующим, изменяющим процессы в аксоне. Ассоциативной моделью является: 3. Классическое условнорефлекторное обучение (павловское сочетание условного и безусловного стимулов). В ассоциативных моделях происходит возбуждение в двух нейронах, пресинаптическом и постсинаптическом. Из сказанного следует, что специфика нейронной памяти связана с взаимодействием двух и более клеток и в своем элементарном виде должна выражаться через сопряженные молекулярные механизмы в пресинаптической и постсинаптической клетках. В динамическом плане, т.е. при рассмотрении становления памяти во времени, различают краткосрочную (кратковременную) и долгосрочную (долговременную) память, а у насекомых еще и среднесрочную. Мюллер и Пилзекер (Mtiller, Pilzecker, 1900) в своих классических опытах по изучению консолидации (фиксации) памяти показали, что, если два последовательных приема информации разделены небольшим периодом времени, то информация, принятая первой, может не запомниться. Из этого следует, что консолидация памяти связана с какими-то материальными изменениями в нервных клетках. Говоря ниже о памяти у животных, мы будем иметь в виду лишь те ее формы, для которых известны физиологические механизмы. Последние многообразны и, можно предполагать, что, по крайней мере, некоторые из них будут нуждаться для своего описания в дробной и более сложной системе понятий. Что это так, можно видеть на примере изучения (в рамках павловской модели) становления ольфактор-ной памяти у плодовых мушек (Drosophila). Стандартная схема опытов включает два запаха, один из которых сопровождается электрическим шоком; задача обучения - научить мух избегать ассоциированный с шоком запах. Соответствующий механизм памяти формируется в клетках Кениона грибовидных тел мозга. У мух выделено пять генетически очерченных временных фаз развития памяти, некоторые из которых оформляются независимо и параллельно (Margulies et al., 2005). Первая фаза связана с восприятием информации. Она находится под контролем многих генов, в том числе leonardo (кодирует 14-3-3-белок, связанный с Ras-сигнальным каскадом), fascilin II, и volado (два последних кодируют адгезивные белки — иммуноглобулиновый гомолог NCAM и интегрин, соответственно). Иногда упоминают гены latheo (кодируемый белок регулирует кальций-зависимый выход ней-ропереносчика) и linotte (кодирует рецептор с тирозин-киназной активностью). Но эти гены имеют более широкие функции и значимы для развития нервной ткани (Davis, 2005). В следующей фазе, контролируемой генами rutabaga (кодирует аденилатциклазу) и dunce (кодирует цАМФ-специфичную фосфодиэстеразу), формируется краткосрочная память, которая при определенных обстоятельствах переходит в среднесрочную, контролируемую (через регуляцию цАМФ-каскада) геном amnesiac. Среднесрочная память может консолидироваться либо в особую нечувствительную к анестезии память (ARM — находится под контролем гена radish), либо в долгосрочную, о которой мы будем говорить дальше. Эта последняя контролируется большим списком генов, из которых упомянем наиболее изучаемые crammer, staufen и pumilio. Первый ген кодирует белок, ингибирующий цистеиновые протеазы и, следовательно, регулирующий их работу. Кодируемые белки двух других генов являются ключевыми элементами транслокационного аппарата по перемещению рибонуклеопротеинов.
Синаптическая память у многоклеточных животных
Память у животных опосредуется через структурные изменения нервных клеток. Краткосрочная память сохраняется от минут до часов и обычно выражается в ковалентной модификации через фосфорили-рование и дефосфорилирование уже существующих мембранных белков-ферментов, рецепторов и ионных каналов. Часто используется наличный запас мРНК для производства дополнительных мембранных белков. В этом случае рибосомы и мРНК перемещаются из дендритов в возбужденные синаптические выросты (о них дальше). Под действием сигналов от рецепторов начинается синтез белков. Судя по составу мРНК (см., например, Steward, Schuman, 2003), в основном это синаптические мембранные рецепторы, киназа CaMKII, участвующая в комплексировании рецепторов, кальмодулин, дендрин и ряд других белков, улучшающих работу синапсов. Краткосрочная память, таким образом, формируется самое большее через процессы трансляции, но не транскрипции. Долгосрочная память связана с образованием новых синапсов и активацией «молчащих», создаваемых нейронами про запас, на случай необходимости быстрого запоминания большого объема информации. В обоих случаях речь идет о структурно-морфологических изменениях нервной клетки, выражающихся, прежде всего, в росте дендритов и появлении на них особых синаптических выростов (спинул). Кроме того, наблюдается аксональный рост, сопровождаемый движением аксонов одних нейронов к дендритам других нейронов, с которыми они устанавливают синаптическую связь. Все это требует синтеза большого объема новых белков, т.е. работы генетического аппарата. Долгосрочная память, таким образом, формируется через процессы транскрипции.
Синапсы
Под синапсами понимают особый тип неплотного межклеточного соединения между нервными или нервными и мышечными клетками, разделенными узкой синап-тической щелью шириной 20-30 нм. Синапсы отличаются от других типов клеточных контактов по механизму передачи сигналов (нервного импульса) посредством секретируемых молекул особого класса, так называемых нейротрансмит-теров. Нейротрансмиттеры накапливаются в мембранных пузырьках (синаптических везикулах) внутри пресинаптической клетки и по мере необходимости высвобождаются через экзоцитоз в межклеточную щель. Большой комплекс белков участвует в процессах формирования синаптических везикул. На рисунке отмечены некоторые из них: VGAT (vesicular GAB A/ glycine transporter) — транспортер везикул в тормозных синапсах; синапсин — фактор, необходимый для освобождения содержимого везикул и связанный с работой рецепторной тиро-зинкиназы (Trk) и МАРК-каскада (обеспечивающего фосфори-лирование фактора). Рецепторы для нейротрансмиттеров находятся в мембране противолежащей постсинаптической клетки. Активная область выхода нейротрансмиттера обычно занимает срединную область, которой часто соответствует более широкая синаптическая щель. По периферии активной зоны щель сужается и здесь пресинаптическая и постсинаптическая клетки жестко соединены между собой через N-кадериновое сцепление. Другими молекулами, обеспечивающими сцепление нейронов, являются протокадерины, SynCAM и NCAM (synaptic- и neural cell adhesion molecules), нектины (Sytnyk et al., 2004). В нейро-мышечных синапсах, напротив, нервное окончание образует на конце расширение, окруженное шванновской клеткой. В мембране противолежащей мышечной клетки образуются рецепторы для агрина, ацетилхолина, нейрегулина и других секретируемых молекул. Эти лиганды накапливаются в мембранных пузырьках внутри аксона и изливаются наружу в процессе экзоцитоза. Агрин действует на Musk-рецептор, который отличается тирозинкиназной активностью. В поле действия этого рецептора становятся активными рецепторы для нейрегулина. Нейрегулин, соединяясь со своим рецептором стимулирует транскрипцию ацетилхолинового рецептора. В итоге рецепторы для пресинаптических аксональных лигандов, распределенные вначале равномерно по всей поверхности мышечной клетки, начинают концентрироваться в точках контакта с нервным окончанием. Нас здесь будут интересовать нейронные синапсы. Среди них выделяют две основные группы: синапсы возбуждения и синапсы торможения. Работа первых опосредуется через хемоуправляемые каналы постсинаптической клетки, основными лигандами которых являются глутамат (глутаминовая кислота и ее производные). Соответствующие рецепторы называют глютаматергическими. Среди них отметим AMPA(a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic а)-рецепторы и NMDA (N-methyl-D-aspartate)-peHenTopbi. Постсинаптическая мембрана обычно находится на особом дендритном выросте (спинуле), внутри которого различают так зываемое постсинаптическое уплотнение (ПСУ — PSD, р< synaptic density). Оно представляет собой связанную конструкцию белков, служащих платформой для трансмембранных рс цепторов и одновременно ретранслятором сигналов вглубь нейрона. Из этих белков отметим синапс-ассоциированные белки (SAP, synapse-associated proteins) из семейства гуанилат-киназ, ассоциированных с мембраной (MAGUK — membrane-associated guanylate kinase), в частности SAP-97 (связан с АМРА-рецешо-ром) и PSD-95 (SAP-90), связанный с NMDA-рецептором. Соответствующие синапсы называ-ют гамкергическими и глицинергическими. Постсинаптическая мембрана обычно формируется в результате преобразования мембраны ствола дендрита, т.е. без образования дендритного выроста. Соответственно здесь работает другая и менее сложная система платформенных белков, ключевым из которых является гефирин. Известен ряд других белков, сопряженных с ГАМК-рецепторами, функция которых недостаточно ясна. Таковы GABARAP (GABA receptor-associated protein) и НАР-1 (Huntington-associated protein 1). ГАМК индуцирует процессы торможения внутри пресинаптического и постсинаптического нейронов. Однако при взаимодействии с глутаматерги-ческими рецепторами ГАМК может вызывать возбуждение. Рост аксонов осуществляется через образование на растущем конце уплощенного (ламеллиподиального) расширения. От этого расширения идут направленные в разные стороны филоподии с внутренним стержнем из пучка полимеризованного актина (Dickson, 2002). Получается подобие ладони с растопыренными пальцами. Аксон до концевого расширения укреплен срединным пучком микротрубочек, которые в отличие от растений и грибов участвуют в росте аксона на вторых ролях. Филоподии растут по градиенту аттрактанта и, кроме того, уменьшаются по длине при попадании в область действия репеллента. За счет этого филоподии на обращенной к репелленту стороне растущего конуса будут убираться, а сам конус изменит направление движения. Аксональный конус, приблизившись к дендриту, сцепляется с ним посредством трансмембранных NCAM-белков (о них дальше). Как результат запускаются процессы синаптогенеза. Сам аксон прорастает сбоку новым конусом роста и, как бы обтекая дендрит с одной стороны, двигается к следующим точкам контакта с тем же или другими дендритами (Sytnyk et al., 2004). Дендритные спинулы (dendritic spines) лежат в основе долгосрочной памяти (Kasai et al., 2003). Термин «spine» в свое время (Иверсен, 1982) был переведен как шипик, что мало соответствует форме и назначению этих структур. Отмечено несколько механизмов их образования (Ethell, Pasquale, 2005). В молодых пирамидных нейронах синапсы расположены непосредственно на нейронных отростках. В зрелых нейронах дендрит образует спинулу вокруг постсинаптического уплотнения, которое, таким образом, оказывается на вершине спинулы. В других случаях дендриты образуют филоподии, которые в дальнейшем преобразуются в различные по форме спинулы (грибовидные с четко выраженной головкой и шейкой, короткие и толстые, без отчетливой головки и другие). Спинула имеет два главных структурно-функциональных компонента: постсинаптическое уплотнение (ПСУ — PSD) и актиновый цитоскелет. ПСУ включает различные рецепторы, склеивающие и платформенные белки. О первых двух мы еще будем говорить дальше. Среди платформенных отметим PSD-95, белки Shank, Homer и другие. В образовании цитоскелета спинул ключевую роль играет дребрин — основной актин-связывающий белок мозга. Дребрин ингибирует активность тропомиозина и а-актинина. В фибробластах он преобразует обычные филоподиальные актиновые пучки (из параллельных нитей, связанных между собой через определенные промежутки нитями а-актинина) в толстые скрученные тяжи. Возможно, что и в спинулах имеет место близкое изменение актиновых пучков. Во всяком случае от дребрина зависит процесс удлинения спинул. При формировании долгосрочной памяти имеет место увеличение размеров спинул. Молчащие синапсы связаны с маленькими спинулами или располагаются непосредственно на нервных нитях (Kasai et al., 2003). Терминальная поверхность растущих спинул насыщается большим числом трансмембранных рецепторов и оформляется в область синаптического взаимодействия дендрита с аксоном. Синаптические спинулы показывают необычайно высокую динамику. На их развитие требуется несколько минут. Они могут менять свои размеры, в частности в течение каких-то нескольких секунд на 30% увеличиваться или уменьшаться в длину или в толщину. За их расширением может следовать разделение синаптического выроста на два с образованием двух (вместо одного) синаптических уплотнений, т.е. поверхностей непосредственного синаптического контакта дендрита с аксоном. Более того, головка спинулы также показывает высокую пластичность. На ней постоянно возникают и убираются с ритмом в несколько секунд еще более тонкие микроспинулы — spinules (Ethell, Pasquale, 2005). Во всех этих процессах ключевая роль принадлежит актиновому скелету. Микротрубочковые тяжи образуют каркас внутри отростков нейрона, тогда как актиновые волокна образуют скелет внутри филоподий и спинул. Форма последних во многом определяется динамикой актина. Так, латрункулин А, ингибитор актина, преобразует дендритные спинулы в филоподий. Немаловажное значение имеет внеклеточный матрикс. В частности, синдекан (трансмембранный протеогликан с нитями из гепарансульфата, иногда с примесью хонд-роитинсульфата и дерматансульфата), фосфорилируемый EphB-рецеп-тором, важен для превращения филоподий в зрелые спинулы (Yamagata et al., 2003). Из сказанного следует, что долгосрочная память у животных связана и выражается в структурной пластичности нервных клеток, в частности их синаптического аппарата (Leuner et al., 2003; Lamprecht, LeDoux, 2004), т.е. опосредуется через механизмы раздражимости. Наконец, для решения принципиально новых задач в зубчатой извилине гиппокампа и обонятельной луковице (у позвоночных) или в грибовидных телах (у насекомых) активируются процессы нейрогенеза, т.е. имеет место дифференциация новых нейронов из нейральных стволовых клеток (Scotto-Lomassese et al., 2003; Abrous et al., 2005). Последние начинают делиться, затем следует их перемещение, дифференциация и встраивание в уже существующую нейронную сеть. Нейрогенез у взрослых организмов также можно отнести к реакциям раздражимости. Наряду с этим при становлении долгосрочной памяти задействованы и общие для всех клеток механизмы, основанные на изменении гистонов. Формирование памяти начинается с приема сигнала внешними рецепторами, например, зрительными или ольфакторными, которые передают сигнал в нервную систему виде электрохимического возбуждения (потенциала действия). В результате возбуждения активируются синаптические связи, т.е. связи нейронов, осуществляющиеся через синапсы. Как уже было сказано, при относительно низком возбуждении нейрона формируется так называемая краткосрочная память, которая в дальнейшем может консолидироваться в долгосрочную. Прежде чем говорить о становлении долгосрочной памяти, Дадим развернутую характеристику внутриклеточных сигнальных путей.
