Распределение нейронной памяти
Распределение памяти — это процесс, который определяет, какие конкретные синапсы и нейроны нейронной сети будут хранить данную память. [1] [2] [3] Хотя стимул могут получить несколько нейронов, только часть нейронов будет вызывать необходимую пластичность для кодирования памяти. Выбор этого подмножества нейронов называется распределением нейронов . Точно так же несколько синапсов могут быть активированы заданным набором входных данных, но конкретные механизмы определяют, какие синапсы на самом деле кодируют память, и этот процесс называется синаптическим распределением. Распределение памяти было впервые обнаружено в латеральной миндалевидном теле Шиной Джосселин и ее коллегами в Альчино Дж. Сильвы . лаборатории [4]
На нейрональном уровне клетки с более высоким уровнем возбудимости (например, с более низким медленным после гиперполяризации) [5] ) с большей вероятностью будут задействованы в следах памяти, и существуют существенные доказательства участия в этом процессе клеточного фактора транскрипции CREB (белок, связывающий элемент, чувствительный к циклическому АМФ). [5] [6] Определенные синапсы рекрутированных нейронов с большей вероятностью подвергаются усилению синаптической силы (известному как долговременная потенциация (LTP)) [7] и предлагаемые механизмы, которые могут способствовать распределению на синаптическом уровне, включают синаптическое маркирование , захват и синаптическую кластеризацию. [3]
Распределение нейронов
[ редактировать ]Распределение нейронов — это явление, которое объясняет, как определенные нейроны в сети, а не другие, получающие аналогичные входные данные, сохраняют определенную память. [3]
Роль CREB в распределении нейронов
[ редактировать ]
транскрипционного фактора Белок, связывающий элемент ответа цАМФ (CREB), представляет собой хорошо изученный механизм распределения памяти в нейронах. Большинство исследований на сегодняшний день используют миндалевидное тело в качестве модельной цепи, а следы памяти, связанные со страхом, в миндалевидном теле опосредованы экспрессией CREB в отдельных нейронах, отвечающих за эти воспоминания. [4] [5] [8] CREB модулирует клеточные процессы, которые приводят к распределению нейронов, особенно в отношении дендритных отростков . плотности и морфологии [9] Многие из механизмов памяти, изученных на сегодняшний день, сохраняются в разных областях мозга, и вполне вероятно, что механизмы распределения памяти на основе страха, обнаруженные в миндалевидном теле, также будут аналогичным образом присутствовать и для других типов воспоминаний в разных областях мозга. [3] Действительно, Сано и его коллеги из лаборатории Сильвы показали, что CREB также регулирует распределение нейронной памяти в миндалевидном теле. [10]
CREB может активироваться несколькими путями. Например, пути циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и протеинкиназы А (ПКА), по-видимому, участвуют в распределении нейронов. [3] При активации вторичными мессенджерами, такими как цАМФ и ионы кальция, ферменты, такие как PKA и MAP-киназа, могут перемещаться в ядро и фосфорилировать CREB , инициируя транскрипцию генов-мишеней. [11] [12] Ингибиторы PKA могут блокировать развитие длительной LTP , и это сопровождается снижением транскрипции генов, модулируемых белком CREB. [13]
Метапластичность в распределении нейронов
[ редактировать ]Метапластичность — это термин, описывающий вероятность того, что данный стимул вызовет пластичность нейрона, на основе предыдущей активности, которую испытал этот нейрон. Несколько исследований предоставили доказательства того, что нейроны, получившие «прайминговую активность» (например, нейротрансмиттеры, паракринные сигналы или гормоны) за несколько минут или дней до этого, будут демонстрировать более низкий порог индукции долговременной потенциации (LTP) . [14] [15] [16] Другие исследования показывают, что активация NMDAR может также повысить порог стимуляции индукции LTP . [3] Таким образом, схожие воздействия на группы нейронов могут индуцировать ДП в некоторых, но не в других, в зависимости от предшествующей активности этих нейронов. [17]
участвующие в этих метапластических эффектах, включают аутофосфорилирование αCaMKII Сигнальные механизмы , , [18] изменения в рецептора NMDA , составе субъединиц [19] и активация потенциалзависимых кальциевых каналов . [18] [20] Эти метапластические эффекты регулируют дестабилизацию и реконсолидацию памяти . [21]
Синаптическое распределение
[ редактировать ]Синаптическое распределение относится к механизмам, которые влияют на то, как синапсы сохраняют данную память. [3] Неотъемлемой частью идеи синаптического распределения является концепция, согласно которой несколько синапсов могут быть активированы заданным набором входных данных, но конкретные механизмы определяют, какие синапсы на самом деле кодируют память. Распределение воспоминаний по определенным синапсам является ключом к определению того, где воспоминания хранятся .
Синаптическая маркировка и захват
[ редактировать ]
Синаптическая активность может генерировать синаптическую метку, которая является маркером, который позволяет стимулированному позвоночнику впоследствии захватывать вновь транскрибируемые молекулы пластичности, такие как Arc . Синаптическая активность также может задействовать механизмы трансляции и транскрипции . Слабая стимуляция может создавать синаптические метки, но не задействует механизм трансляции и транскрипции, тогда как сильная стимуляция создает синаптические метки, а также задействует механизм трансляции и транскрипции. Вновь созданные белки, связанные с пластичностью (PRP), могут быть захвачены любыми мечеными синапсами, но непомеченные синапсы не имеют права получать новые PP. Через определенный промежуток времени синапсы потеряют свою метку и вернутся в исходное состояние. Кроме того, запасы новых PRP истощатся. Теги и новые PRP должны перекрываться во времени для захвата PRP. [17] [22] [23]
Синаптическая метка обратно пропорциональна времени между вызывающими стимулами и считается временно асимметричной. Более того, мечение также обратно пропорционально расстоянию между шипами, которое является важным пространственным свойством мечения. Последующие исследования изображений, наоборот, подтвердив временные и пространственные свойства синаптического мечения, показали, что существуют не только временные ограничения, но и структурные ограничения, которые ограничивают механизмы синаптического мечения и захвата. В целом, эти исследования демонстрируют сложность синаптического мечения и захвата и дают дальнейшее понимание того, как именно происходит этот механизм. [3]
Кластеризация позвоночника
[ редактировать ]Синаптическая кластеризация означает добавление новых шипов в дендритную область, где другие шипы были добавлены в результате предыдущего обучения. [3] Кластеризация шипиков может привести к усилению синаптических входов посредством диффузных молекулярных перекрестных помех, которые возникают вблизи активированных шипиков.1 Например, исследования показали, что сигнальные молекулы, синтезированные в одном шипике (например, активированный RAS и/или RHOA), могут диффундировать наружу и влиять на рост позвоночника на близлежащих участках. [24] Rho GTPase CDC42 также может способствовать кластеризации позвоночника, вызывая долгосрочное увеличение объема позвоночника. Недавние исследования также показывают, что этот процесс может регулироваться активацией рецептора NMDA и стимуляцией оксида азота. [3] [25]
Кластеризация позвоночника в моторной коре отражает морфологический механизм синаптического хранения специфических двигательных воспоминаний. Эти сгруппированные шипы более стабильны, чем новые некластеризованные шипы. Этот тип добавления шипов происходит по определенной схеме, а это означает, что шипы, добавленные после одной задачи, не будут группироваться с шипами после альтернативной задачи. [26] Потеря кластеризации позвоночника также возможна, как было показано в некоторых экспериментах по обусловливанию страха , что приводит к общей потере шипов в лобной ассоциативной коре, области, тесно связанной с обусловливанием страха, которая сильно коррелирует с памятью при воспоминании . Когда шипы были добавлены после исчезновения страха, они имели ориентацию, аналогичную той, что была потеряна во время первоначального формирования страха. [27]
Механизмы, связывающие воспоминания во времени
[ редактировать ]Дениз Кай из лаборатории Альчино Дж. Сильвы обнаружила, что механизмы распределения памяти используются для соединения или связывания воспоминаний во времени. [28] В своих исследованиях они продемонстрировали, что одно контекстное воспоминание запускает активацию CREB и последующее повышение возбудимости в подмножестве нейронов CA1 гиппокампа, так что последующее контекстное воспоминание, возникающее в течение 5 часов, может быть отнесено к некоторым из тех же нейронов CA1, которые сохранил первое контекстуальное воспоминание. В результате этого перекрытия между инграммами памяти CA1 для двух контекстных воспоминаний вызов одного контекстного воспоминания активирует извлечение второго воспоминания. Эти исследования также показали, что механизмы связи контекстуальной памяти нарушаются в стареющем мозге и что повышение возбудимости в подмножестве нейронов CA1 обращает вспять этот дефицит связи памяти. Весьма вероятно, что нарушения CREB и возбудимости нейронов в стареющем мозге могут быть причиной аномалий в связях воспоминаний и, возможно, связанных с ними проблем с памятью ( исходная амнезия ), связанных со старением. В июле 2018 года в специальном выпуске «13 открытий, которые могут изменить все» журнал Scientific American рассказал об открытии лаборатории Сильва в области распределения памяти и связывания. [29]
Текущие и будущие исследования
[ редактировать ]Интеграция синаптического и нейронального распределения
[ редактировать ]В экспериментах еще предстоит изучить взаимодействие аллокативных механизмов между нейрональным и синаптическим уровнями. Эти два класса процессов, скорее всего, будут связаны между собой, учитывая взаимоотношения между нейронами и синапсами в нейронной сети. Например, синаптическая маркировка и захват, участвующие в синаптическом распределении, требуют выделения нейронов, которым принадлежат синапсы. Более того, увеличение возбудимости нейронов в данном ансамбле нейронов может влиять на некоторые дендриты больше, чем на другие, тем самым смещая память в синапсах в дендритах с более высокой возбудимостью. [30] [31] Аналогичным образом, на рекрутированных нейронах, демонстрирующих повышенную возбудимость, необходимо выбрать определенные синапсы, чтобы хранить информацию в форме синаптической пластичности.
Один из аспектов интеграции связан с метапластичностью и с тем, как приобретение и хранение одного воспоминания изменяет нейронную цепь , влияя на хранение и свойства последующего воспоминания. Клеточная возбудимость была предложена как один из механизмов, ответственных за гетеросинаптическую метапластичность, модуляцию последующей пластичности в различных синапсах. [32] CREB функционирует посредством повышения возбудимости клеток, как описано выше, поэтому он также, возможно, участвует в гетеросинаптической метапластичности. Синаптическая маркировка и захват, как описано в разделах выше, могут привести к слабой памяти (способной запускать только E-LTP), которая в противном случае была бы забыта, но ее можно усилить и стабилизировать с помощью сильной памяти (способной запускать L-LTP). LTP), являющийся формой гетеросинаптической пластичности.
Будущие исследования
[ редактировать ]Несмотря на обширные исследования отдельных механизмов распределения памяти, исследований, посвященных интеграции этих механизмов, немного. Было высказано предположение, что понимание последствий молекулярных, клеточных и системных механизмов этих процессов может пролить свет на то, как они координируются и интегрируются во время формирования памяти. [3] Например, идентификация белков, связанных с пластичностью (PRP), участвующих в синаптическом мечении и захвате, а также молекул выше и ниже CREB может помочь выявить потенциальные взаимодействия. Для исследования функционального значения этих механизмов потребуются инструменты, которые смогут напрямую манипулировать и отображать процессы, участвующие в предлагаемых механизмах in vivo. [3] Например, возможно, что поведенческие взаимодействия, приписываемые синаптическому мечению и захвату, вызваны зависимым от синтеза белка увеличением нейромодуляторов, таких как дофамин, а не механизмами синаптического мечения. Изучение поведенческих последствий прямых манипуляций может помочь исключить другие возможные причины.
См. также
[ редактировать ]- Консолидация памяти
- Энграмма
- Теория множественных следов
- Долгосрочное потенцирование
- Синаптическая маркировка
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вон, Дж. и А.Дж. Сильва, Молекулярные и клеточные механизмы распределения памяти в нейросетях. Neurobiol Learn Mem, 2007. PMC 2673809.
- ^ Сильва, А.Дж., Чжоу, Ю., Роджерсон, Т., Шобе, Дж. и Баладжи, Дж. Молекулярные и клеточные подходы к распределению памяти в нейронных цепях. Science, 16 октября 2009 г.;326(5951):391-5. ПМИД 19833959 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Роджерсон Т. и др. Синаптическая маркировка во время выделения памяти. Nature Rev. Neurosci 15, 157–169 (2014)
- ^ Jump up to: а б Хан, Дж.Х., Кушнер, С.А., Ю, А.П., Коул, С.Дж., Матыния, А., Браун, Р.А., ... и Джослин, С.А. (2007). Нейронная конкуренция и отбор при формировании памяти. наука, 316(5823), 457-460.
- ^ Jump up to: а б с Чжоу Ю., Вон Дж., Карлссон М.Г., Чжоу М., Роджерсон Т., Баладжи Дж., ... и Сильва А.Дж. (2009). CREB регулирует возбудимость и распределение памяти между подмножествами нейронов миндалевидного тела. Природная нейробиология, 12 (11), 1438–1443.
- ^ Ю, AP и др. Нейроны привлекаются к следу памяти на основе относительной возбудимости нейронов непосредственно перед тренировкой. Нейрон 83, 722-735 (2014)
- ^ Блисс, ТВ, и Коллингридж, Г.Л. (1993). Синаптическая модель памяти: долговременная потенциация в гиппокампе. Природа, 361(6407), 31-39.
- ^ Хан, Дж. Х., Кушнер, С. А., Ю, А. П., Сян, ХЛЛ, Бух, Т., Вайсман, А., ... и Джосселин, С. А. (2009). Выборочное стирание памяти о страхе. Наука, 323 (5920), 1492–1496.
- ^ Саргин, Д., Меркальдо, В., Ю, А.П., Хиггс, Г., Хан, Дж.Х., Франкленд, П.В., и Джосселин, С.А. (2013). CREB регулирует плотность нейронов боковой миндалины: значение для распределения памяти. Границы поведенческой нейробиологии, 7.
- ^ Сано, Ю., Шобе, Дж.Л., Чжоу, М., Хуан, С., Цай, DJ, Рот, Б.Л. , Камата, М. и Сильва, AJ. CREB регулирует распределение памяти в островковой коре. Курр Биол. 13 ноября 2014 г.; 24 (23): 2833-283 (2014) ПМИД 25454591
- ^ Адамс, JP, и Суэтт, JD (2002). Молекулярная психология: роль киназного каскада ERK MAP в памяти. Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии, 42 (1), 135–163.
- ^ Трейсман, Р. (1996). Регуляция транскрипции с помощью MAP-киназных каскадов. Текущее мнение по клеточной биологии, 8 (2), 205–215.
- ^ Нгуен, П.В., и Ву, Нью-Хэмпшир (2003). Регуляция синаптической пластичности гиппокампа с помощью циклических АМФ-зависимых протеинкиназ. Прогресс в нейробиологии, 71(6), 401-437.
- ^ Гусаков И.В., Финк К., Элджер К.Э. и Бек Х. (2000). Метапластичность синаптической передачи мшистых волокон предполагает измененную вероятность высвобождения. Журнал неврологии, 20(9), 3434-3441.
- ^ Авраам, WC, и Тейт, WP (1997). Метапластичность: новый взгляд на область синаптической пластичности. Прогресс в нейробиологии, 52 (4), 303–323.
- ^ Кун, Алекс С. и др. «Ауторегуляция и паракринный контроль синаптической и поведенческой пластичности посредством октопаминэргической передачи сигналов». Природная нейробиология 14.2 (2011): 190-199.
- ^ Jump up to: а б с Руди, Дж. (2014). Конкретные механизмы: Нацеливание на продукты из пластика. В книге «Нейробиология обучения и памяти» (второе изд., стр. 113–116). Синауэр Ассошиэйтс.
- ^ Jump up to: а б Чжан Л., Киршштейн Т., Соммерсберг Б., Меркенс М., Манахан-Вон Д., Элгерсма Ю. и Бек Х. (2005). Синаптическая метапластичность гиппокампа требует ингибирующего аутофосфорилирования Ca2+/кальмодулин-зависимой киназы II. Журнал неврологии, 25(33), 7697-7707.
- ^ Чо, К.К., Хибник, Л., Филпот, Б.Д., и Медведь, М.Ф. (2009). Соотношение субъединиц NR2A/B NMDA-рецепторов определяет качества пластичности глазного доминирования в зрительной коре. Труды Национальной академии наук, 106 (13), 5377-5382.
- ^ Ли, MC, Ясуда, Р., и Элерс, доктор медицины (2010). Метапластичность одиночных глутаматергических синапсов. Нейрон, 66 (6), 859–870.
- ^ Финни, Питер С.Б. и Карим Надер. «Роль механизмов метапластичности в регулировании дестабилизации и реконсолидации памяти». Обзоры нейронаук и биоповеденческих исследований 36.7 (2012): 1667-1707.
- ^ Фрей, У. и Моррис, Р.Г. Синаптическая маркировка: последствия позднего поддержания долгосрочной потенциации гиппокампа. Тенденции Неврологии. 21, 181–188 (1998)
- ^ Говиндараджан, А. и др. Дендритная ветвь является предпочтительной интегративной единицей LTP, зависящей от синтеза белка. Нейрон 69, 132–146 (2011).
- ^ Харви, CD и др. Распространение активности Ras вызвано активацией одного дендритного шипа. Наука 321, 136–140 (2008).
- ^ Муракоши, Х., Ван, Х. и Ясуда, Р. Локальная, стойкая активация Rho GTPases во время пластичности одиночных дендритных шипов. Природа 472, 100–104 (2011)
- ^ Фу, М. и др. Повторяющееся двигательное обучение вызывает скоординированное формирование кластерных дендритных шипиков in vivo. Природа 483, 92–95 (2012).
- ^ Лай, CS и др. Противоположные эффекты обусловленности и угасания страха на ремоделирование дендритных позвонков. Природа 483, 87–91 (2012).
- ^ Цай DJ, Ахарони Д, Шуман Т, Шобе Дж, Биан Дж, Сонг В, Вэй Б, Вешкини М, Ла-Ву М, Лу Дж, Флорес С, Ким И, Сано Ю, Чжоу М, Баумгертель К, Лави А , Камата М , Тушински М , Мэйфорд М , Гольшани П , Сильва АДж . Общий нейронный ансамбль связывает отдельные контекстуальные воспоминания, закодированные близко во времени. Природа 2016 23 мая;534(7605):115-8
- ^ Сильва, AJ Как одно воспоминание связано с другим. В книге «Революции в науке: открытия, которые могут изменить все». Научный американец; Июль 2018, Том 27, Выпуск 3с
- ^ Ларкум, М.Э. и Невиан, Т. Синаптическая кластеризация с помощью дендритных механизмов передачи сигналов. Курс. Мнение. Нейробиол. 18, 321–331 (2008)
- ^ Лосончи, А., Макара, Дж. К. и Маги, Дж. К. Разделенная дендритная пластичность и хранение входных данных в нейронах. Природа 452, 436–441 (2008).
- ^ Фрик А. и Джонстон Д. Пластичность дендритной возбудимости. Дж. Нейробиол. 64, 100–115 (2005)
