Долговременная потенциация: механизмы обучения и памяти

Введение

Постоянное укрепление синапсов на основе недавних паттернов активности

В нейробиологии, долговременная потенциация (LTP) – это устойчивое укрепление синапсов, основанное на недавних паттернах активности. Это паттерны синаптической активности, которые приводят к длительному увеличению передачи сигнала между двумя нейронами. Противоположностью LTP является долговременная депрессия, которая вызывает длительное снижение силы синапсов. Это одно из нескольких явлений, лежащих в основе синаптической пластичности – способности химических синапсов изменять свою силу. Поскольку считается, что воспоминания кодируются посредством модификации силы синапсов, LTP широко рассматривается как один из основных клеточных механизмов, лежащих в основе обучения и памяти. Данные о том, что количество нейронов не увеличивается значительно с возрастом, дали нейробиологам веские основания полагать, что воспоминания обычно не являются результатом образования новых нейронов. С этим осознанием возникла необходимость объяснить, как могут формироваться воспоминания в отсутствие новых нейронов. Испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль был одним из первых, кто предложил механизм обучения, не требующий формирования новых нейронов. В своей Кроунианской лекции 1894 года он предположил, что воспоминания могут формироваться путем укрепления связей между существующими нейронами для повышения эффективности их коммуникации. Эрик Кандель (1964) и его коллеги были одними из первых исследователей, обнаруживших долговременную потенциацию в ходе работы с морским слизнем Aplysia. Они попытались применить поведенческое обусловливание к различным клеткам в нейронной сети слизня. Их результаты показали изменения силы синапсов, и исследователи предположили, что это может быть связано с базовой формой обучения, происходящей внутри слизня. Хотя эти теории формирования памяти теперь хорошо установлены, они были дальновидными для своего времени: в конце XIX и начале XX века нейробиологи и психологи не располагали нейрофизиологическими методами, необходимыми для выяснения биологических основ обучения у животных. Эти навыки появились только во второй половине XX века, примерно в то же время, что и открытие долговременной потенциации.

In neuroscience, long term potentiation (LTP) is a persistent strengthening of synapses based on recent patterns of activity. These are patterns of synaptic activity that produce a long lasting increase in signal transmission between two neurons. The opposite of LTP is long term depression, which produces a long lasting decrease in synaptic strength. It is one of several phenomena underlying synaptic plasticity, the ability of chemical synapses to change their strength. As memories are thought to be encoded by modification of synaptic strength, LTP is widely considered one of the major cellular mechanisms that underlies learning and memory.) did not increase significantly with age, giving neurobiologists good reason to believe that memories were generally not the result of new neuron production. With this realization came the need to explain how memories could form in the absence of new neurons. The Spanish neuroanatomist Santiago Ramón y Cajal was among the first to suggest a mechanism of learning that did not require the formation of new neurons. In his 1894 Croonian Lecture, he proposed that memories might instead be formed by strengthening the connections between existing neurons to improve the effectiveness of their communication. Eric Kandel (1964) and associates were some of the first researchers to discover long term potentiation during their work with sea slug Aplysia. They attempted to apply behavioral conditioning to different cells in the slug’s neural network. Their results showed synaptic strength changes and researchers suggested that this may be due to a basic form of learning occurring within the slug. Though these theories of memory formation are now well established, they were farsighted for their time: late 19th and early 20th century neuroscientists and psychologists were not equipped with the neurophysiological techniques necessary for elucidating the biological underpinnings of learning in animals. These skills would not come until the later half of the 20th century, at about the same time as the discovery of long term potentiation.

Открытие

LTP был впервые обнаружен Терье Лёмо в 1966 году в лаборатории Пер Андерсена в Осло, Норвегия. Там Лёмо провёл серию нейрофизиологических экспериментов на анестезированных кроликах, чтобы изучить роль гиппокампа в кратковременной памяти. Эксперименты Лёмо были сосредоточены на связях, или синапсах, от перфорантного пути к зубчатой извилине. Эти эксперименты проводились путём стимуляции пресинаптических волокон перфорантного пути и регистрации ответов от группы постсинаптических клеток зубчатой извилины. Как и ожидалось, одиночный импульс электрической стимуляции волокон перфорантного пути вызывал возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) в клетках зубчатой извилины. Однако Лёмо неожиданно обнаружил, что реакция постсинаптических клеток на эти одиночные импульсы может быть усилена на длительное время, если предварительно применить высокочастотный залп стимулов к пресинаптическим волокнам. Когда такой залп стимулов применялся, последующие одиночные импульсы вызывали более сильные и продолжительные ВПСП в популяции постсинаптических клеток. Это явление, при котором высокочастотный стимул может вызывать длительное усиление реакции постсинаптических клеток на последующие одиночные импульсы, первоначально было названо «долговременной потенциацией». Тимоти Блис, присоединившийся к лаборатории Андерсена в 1968 году, предположил, что авторы выбрали название «долгосрочная потенциация», возможно, из-за легко произносимой аббревиатуры «LTP».

Модели и теория

Физический и биологический механизм долговременной потенциации (LTP) до сих пор полностью не выяснен, однако было разработано несколько успешных моделей. Исследования дендритных шипиков – выступающих структур на дендритах, которые физически растут и втягиваются в течение минут или часов – показали связь между электрическим сопротивлением шипика и эффективной силой синапса, обусловленную их взаимосвязью с внутриклеточными кальциевыми транзиентами. Математические модели, такие как теория BCM, которая также зависит от внутриклеточного кальция в связи с воротными механизмами NMDA-рецепторов, разрабатываются с 1980-х годов и модифицируют традиционную априорную модель обучения по Хеббу, опираясь на биологические и экспериментальные данные. Другие исследователи предложили пересмотреть или синхронизировать взаимосвязь между регуляцией рецепторов, LTP и силой синаптической связи.

Содержание

В то время как индукция влечет за собой временную активацию CaMKII и PKC, поддержание E LTP (ранней формы ЛТП) характеризуется их устойчивой активацией. На этой стадии PKMz (белковая киназа Mζ), не имеющая кальциевой зависимости, становится автономно активной. В результате они способны осуществлять события фосфорилирования, лежащие в основе экспрессии E LTP. Как упоминалось ранее, AMPA-рецепторы являются наиболее распространенными в мозге глутаматными рецепторами и опосредуют большую часть его возбуждающей активности. Увеличивая эффективность и число AMPA-рецепторов в синапсе, последующие возбуждающие стимулы генерируют более крупные постсинаптические ответы. Хотя описанная выше модель E LTP описывает исключительно постсинаптические механизмы индукции, поддержания и экспрессии, дополнительный компонент экспрессии может происходить пресинаптически. Одна из гипотез пресинаптической фасилитации заключается в том, что устойчивая активность CaMKII в постсинаптической клетке во время E LTP может приводить к синтезу "ретроградного мессенджера", который будет обсуждаться далее. Согласно этой гипотезе, вновь синтезированный мессенджер перемещается через синаптическую щель от постсинаптической к пресинаптической клетке, запуская цепочку событий, облегчающих пресинаптический ответ на последующие стимулы. Эти события могут включать увеличение числа везикул нейротрансмиттера, вероятность высвобождения везикул или и то, и другое. Помимо ретроградного мессенджера, лежащего в основе пресинаптической экспрессии при ранней ЛТП, этот же мессенджер может играть роль и в экспрессии поздней ЛТП.

Позднейшая фаза

[[Изображение: Механизм позднего LTP.png|right|thumb|200px|Ранняя и поздняя фазы долговременной потенциации (LTP) предположительно взаимодействуют посредством внеклеточной сигнально-регулируемой киназы (ERK) и синтеза белка в постсинаптической клетке. Существуют две фазы LTP: первая зависит от синтеза белка, а вторая – как от транскрипции генов, так и от синтеза белка. Эта необходимость в молекулярном совпадении идеально объясняет ассоциативную природу LTP и, вероятно, природу обучения.

Связь с поведенческой памятью

Хотя долгосрочная потенциация синапсов в клеточной культуре представляется изящной основой для обучения и памяти, вклад ДЛП в поведенческое обучение – то есть обучение на уровне целого организма – нельзя просто экстраполировать из исследований in vitro. По этой причине значительные усилия были направлены на выяснение, необходимо ли ДЛП для обучения и памяти у живых животных. В связи с этим, ДЛП также играет ключевую роль в обработке страха.

Пространственная память

Задача Морриса по водному лабиринту была использована для демонстрации необходимости NMDA-рецепторов в формировании пространственных воспоминаний. В 1986 году Ричард Моррис предоставил одни из первых доказательств того, что LTP действительно необходим для формирования воспоминаний in vivo. Он исследовал пространственную память крыс, фармакологически модифицируя их гиппокамп – структуру мозга, роль которой в пространственном обучении хорошо установлена. Крысы были обучены в лабиринте Морриса, задаче на пространственную память, в которой крысы плавают в бассейне с мутной водой, пока не обнаружат платформу, скрытую под поверхностью. В ходе этого упражнения нормальные крысы должны ассоциировать местоположение скрытой платформы с заметными ориентирами, расположенными в определенных местах по окружности лабиринта. После обучения одной группе крыс гиппокамп подвергали воздействию блокатора NMDA-рецепторов APV, в то время как другая группа служила контрольной. Затем обе группы были подвергнуты задаче пространственной памяти в водном лабиринте. Крысы в контрольной группе смогли найти платформу и выбраться из бассейна, в то время как у крыс, получавших APV, производительность была значительно снижена. Более того, при анализе срезов гиппокампа от обеих групп, LTP легко индуцировалась в контрольной группе, но не могла быть индуцирована в мозге крыс, получавших APV. Это предоставило ранние доказательства того, что NMDA-рецептор – и, как следствие, LTP – необходим как минимум для некоторых типов обучения и памяти. Аналогично, Сусуму Тонегава в 1996 году продемонстрировал, что область CA1 гиппокампа имеет решающее значение для формирования пространственных воспоминаний у живых мышей. Так называемые клетки места, расположенные в этой области, активируются только тогда, когда крыса находится в определенном месте – называемом полем места – в окружающей среде. Поскольку эти поля места распределены по всей окружающей среде, одна из интерпретаций заключается в том, что группы клеток места формируют карты в гиппокампе. Точность этих карт определяет, насколько хорошо крыса изучает окружающую среду и, следовательно, насколько хорошо она может в ней ориентироваться. Тонегава обнаружил, что нарушение функции NMDA-рецептора, в частности, генетическое удаление субъединицы NR1 в области CA1, приводило к тому, что формируемые поля места были значительно менее специфичными, чем у контрольной группы. То есть мыши создавали неточные пространственные карты при нарушении функции их NMDA-рецепторов. Как и ожидалось, эти мыши демонстрировали значительно худшие результаты в пространственных задачах по сравнению с контрольной группой, что еще больше подтверждает роль LTP в пространственном обучении. Повышенная активность NMDA-рецепторов в гиппокампе также показала способность усиливать LTP и в целом улучшать пространственное обучение. В 1999 году Тан и соавторы вывели линию мышей с повышенной функцией NMDA-рецепторов путем сверхэкспрессии субъединицы NR2B в гиппокампе. Полученные «умные» мыши, получившие прозвище «мыши Дуги» в честь вымышленного гениального доктора Дуги Хаузера, демонстрировали более выраженный LTP и превосходили в пространственных задачах, что подчеркивает важность LTP в формировании памяти, зависимой от гиппокампа.

thumb|250px|The Morris water maze task has been used to demonstrate the necessity of NMDA receptors in establishing spatial memories. In 1986, Richard Morris provided some of the first evidence that LTP was indeed required for the formation of memories in vivo. He tested the spatial memory of rats by pharmacologically modifying their hippocampus, a brain structure whose role in spatial learning is well established. Rats were trained on the Morris water maze, a spatial memory task in which rats swim in a pool of murky water until they locate the platform hidden beneath its surface. During this exercise, normal rats are expected to associate the location of the hidden platform with salient cues placed at specific positions around the circumference of the maze. After training, one group of rats had their hippocampi bathed in the NMDA receptor blocker APV, while the other group served as the control. Both groups were then subjected to the water maze spatial memory task. Rats in the control group were able to locate the platform and escape from the pool, while the performance of APV treated rats was significantly impaired. Moreover, when slices of the hippocampus were taken from both groups, LTP was easily induced in controls, but could not be induced in the brains of APV treated rats. This provided early evidence that the NMDA receptor — and by extension, LTP — was required for at least some types of learning and memory. Similarly, Susumu Tonegawa demonstrated in 1996 that the CA1 area of the hippocampus is crucial to the formation of spatial memories in living mice. So called place cells located in this region become active only when the rat is in a particular location — called a place field — in the environment. Since these place fields are distributed throughout the environment, one interpretation is that groups of place cells form maps in the hippocampus. The accuracy of these maps determines how well a rat learns about its environment and thus how well it can navigate it. Tonegawa found that by impairing the NMDA receptor, specifically by genetically removing the NR1 subunit in the CA1 region, the place fields generated were substantially less specific than those of controls. That is, mice produced faulty spatial maps when their NMDA receptors were impaired. As expected, these mice performed very poorly on spatial tasks compared to controls, further supporting the role of LTP in spatial learning. Enhanced NMDA receptor activity in the hippocampus has also been shown to produce enhanced LTP and an overall improvement in spatial learning. In 1999, Tang et al. produced a line of mice with enhanced NMDA receptor function by overexpressing the NR2B subunit in the hippocampus. The resulting smart mice, nicknamed "Doogie mice" after the fictional prodigious doctor Doogie Howser, had larger LTP and excelled at spatial learning tasks, reinforcing LTP's importance in the formation of hippocampus dependent memories.

Ингибиторное избегание

В 2006 году Джонатан Уитлок и его коллеги сообщили о серии экспериментов, предоставивших, возможно, наиболее веские доказательства роли долговременной потенциации (LTP) в поведенческой памяти, утверждая, что для заключения о том, что LTP является основой поведенческого обучения, оба процесса должны как имитировать, так и блокировать друг друга. Используя парадигму обучения избеганию с помощью ингибирования, исследователи обучали крыс в двухкамерном аппарате со светлой и темной камерами, в последней из которых было установлено устройство, доставляющее крысе удар током при входе. Анализ синапсов CA1 гиппокампа показал, что обучение избеганию с помощью ингибирования индуцировало in vivo фосфорилирование AMPA-рецепторов того же типа, что и при LTP in vitro; то есть обучение избеганию с помощью ингибирования имитировало LTP. Более того, синапсы, усиленные в процессе обучения, не могли быть дополнительно усилены экспериментальными воздействиями, которые в иных условиях вызвали бы LTP; то есть обучение избеганию с помощью ингибирования блокировало LTP. В ответ на статью Тимоти Блис и его коллеги отметили, что эти и связанные с ними эксперименты "существенно укрепляют аргументы в пользу LTP как нейронного механизма памяти".

Клиническое значение

Роль долговременной потенциации (LTP) в развитии заболеваний менее ясна, чем ее роль в базовых механизмах синаптической пластичности. Однако изменения в LTP могут способствовать развитию ряда неврологических заболеваний, включая депрессию, болезнь Паркинсона, эпилепсию и нейропатическую боль. Нарушения LTP также могут играть роль в болезни Альцгеймера и наркотической зависимости.

Болезнь Альцгеймера

[[Изображение: АПП и ЛТП при болезни Альцгеймера. png|thumb|150px|Нарушение обработки амилоидного предшественника белка (APP) при болезни Альцгеймера нарушает долговременную потенциацию (ЛТП) и, как считается, приводит к раннему когнитивному снижению у пациентов с этим заболеванием. Болезнь Альцгеймера, по крайней мере частично, возникает в результате неправильной обработки APP. Результатом этой аномальной обработки является накопление фрагментов этого белка, называемых амилоидом β (Aβ). Aβ существует как в растворимой, так и в фибриллярной форме. Неправильная обработка APP приводит к накоплению растворимого Aβ, который, согласно гипотезе Роуэна, ухудшает гиппокампальную ЛТП и может привести к когнитивному снижению, наблюдаемому на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Болезнь Альцгеймера также может нарушать ЛТП посредством механизмов, отличных от Aβ. Например, одно исследование показало, что фермент PKMζ накапливается в нейрофибриллярных клубках, которые являются патологическим маркером болезни Альцгеймера. PKMζ – это фермент, имеющий решающее значение для поддержания поздней ЛТП.

Наркомания

Исследования в области медицины зависимости также недавно сосредоточились на долговременной потенциации (ЛТП), в связи с гипотезой о том, что наркотическая зависимость представляет собой мощную форму обучения и памяти. Зависимость – это сложное нейроповеденческое явление, затрагивающее различные области мозга, такие как вентральная тегментальная область (ВТА) и прилежащее ядро (NAc). Исследования показали, что синапсы ВТА и NAc способны подвергаться долговременной потенциации.