Презентация на тему "Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СЦЕНАРИИ КОНСОЛИДАЦИИ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ Константин Анохин Laboratory of Neurobiology of Memory P.K.Anokhin Institute of Normal Physiology Russian Academy of Medical Sciences "Жизнь - это не те дни, что прожиты, а те, что запомнены." Габриель Гарсиа Маркес

• 
  Слайд 2
  

  2 "Оказалось, что память Ш. не имеет ясных границ не только в своем объеме, но и в прочности удержания следов. Опыты показали, что он с успехом - и без заметного труда - может воспроизводить любой длинный ряд слов, данных ему неделю, месяц, год, много лет назад. Некоторые из таких опытов, неизменно оканчивавшихся успехом, были проведены спустя 15-16 лет после первичного запоминания ряда и без всякого предупреждения." А.Р.ЛурияМаленькая книжка о большой памяти (1966) Память может хранится десятилетиями Память у мнемонистов

• 
  Слайд 3
  

  3 Память может хранится десятилетиями Память у мнемонистов (гипертимезия)

• 
  Слайд 4
  

  Память может хранится десятилетиями Память в течение 50 лет у обычных людей Имена одноклассников Названия улиц H.G.Schmidt et al. (2000) H.P. Bahrick et al. (2008)

• 
  Слайд 5
  

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет Молекулярные основы жизни ДНК Молекулярные основы памяти ДНК

• 
  Слайд 6
  

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет Бессмыссленные слоги для запоминания (WUX, CAZ, JEK, ZUP, RIF и т.д.) Метод «сохранений» Герман Эббингауз (1850-1909) 1885 - Еbbinghaus: В хранении памятисуществуют две фазы; 1900 - Mueller & Pilzecker: Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации"; 1949 - Duncan: Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей; 1901 - McDougall: Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах; 1962 - Нyden: В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка; 1963 - Flexner et al.: Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную памяти;

• 
  Слайд 7
  

  Исходная модель: Byrne et al., 1988 Какие гены вовлечены в формирование памяти? ? Как они активируются синаптическими сигналами? ? ? Каковы их функции в формировании памяти? Долговременная память Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках. Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно, ограниченное 1-2 часами после обучения. После его завершения память переходит в стабильную, консолидированную форму и не может быть нарушена воздействиями на нервную систему.

• 
  Слайд 8
  

  Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении learning control learning с-fos с-fos embryonic development с-fos mRNA brain heart liver Ramon Cajal hypothesis Н.Е.Малеева и соавт. Анализ экспрессии протоонкогена с-fos в коре головного мозга крыс при обучении. Генетика (1989) 25: 1119-1121.

• 
  Слайд 9
  

  Экспрессия ядерных протоонкогенов в мозге при обучении 1. Экспрессия c-fos наблюдается в "критическом окне" консолидации памяти 2. Экспрессия c-fos и c-junпроисходит при приобретении, но не при воспроизведении выученного навыка.

• 
  Слайд 10
  

  Избирательная блокада экспрессии c-fosв мозге нарушает консолидацию памяти

  ЧИСЛО ОШИБОК c-fos AS ОБУЧЕНИЕТЕСТ 20 40 60 80 20 40 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30 мин контроль кратковременная память 20 40 60 80 20 40 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ОБУЧЕНИЕТЕСТ *** p

• 
  Слайд 11
  

  Последовательность каскада активации "ранних генов" в клетке при обучении

  Мембрана Цитоплазма Ядро НОВИЗНА

• 
  Слайд 12
  

  A second wave of gene expression occurs in the animal brain several hours after learning and is required for storage of long-term memory -2 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 6 TIME (hours) *** ** *** *** * ** CONTROL ANISOMYCIN NUMBER OF MISTAKES A. Tiunova et al. (1996) Learning & Memory Вслед за экспрессией "ранних генов" после обучения следует активация "поздних генов

• 
  Слайд 13
  

  Обучение Экспрессия немедленных ранних генов Экспрессия поздних генов Долговременная память Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти 6 12 0 20 40 60 80 100  Сохранение следа памяти часы Первая волна белкового синтеза Вторая волна белкового синтеза Долговременная память  3 9 

• 
  Слайд 14
  

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells Cytoplasm Nucleus G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC NeurotransmittersGrowth factors Neuromodulators Glu SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos MAPK CaMKIV PKA P (S133) CREB TCF/Elk-1 ERK Rsk cAMP PKA Ca2+ -induced Ca2+release RyR ER CAM CAM MAPK Rsk CAM Ras MEK AC-ATP ERK Raf N e w e x p e r i e n c e

• 
  Слайд 15
  

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells Cytoplasm Nucleus PKA PP1 NeurotransmittersGrowth factors Neuromodulators G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC CREB P Glu Ca2+ -induced Ca2+release RyR ER CAM CAM MAPK Rsk MAPK Rsk CaMKIV CAM Ras Raf MEK SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos (S133) CBP cAMP AC-ATP PKA TCF/Elk-1 SRF P CK-II rS6K SIF P SIF ERK ERK N e w e x p e r i e n c e

• 
  Слайд 16
  

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells S.Flawell, M.Greenberg (2008) Ann.Rev.Neurosci.

• 
  Слайд 17

  Дальнейшее развитие модели:

  Эффекторные "ранние" гены 1. Часть "ранних" генов, активирующихся при обучении, кодируют эффекторные белки, обеспечиващие формирование "ранней" белок-зависимой памяти. 2. К числу таких эффекторных "ранних" генов относится Arc (Arg 3.1). Его экспрессия происходит в первые минуты после обучения; Экспрессия специфически связана с обучением; Блокада экспрессии приводит к нарушению формирования долговременной памяти; Arc кодирует синаптический белок, транспортирующийся в дендриты.

• 
  Слайд 18
  

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет Молекулярные основы памяти ДНК "Когда в душе возникает желание что-то вспомнить, оно заставляет [эпифизную] железу, попеременно наклоняющуюся в разные стороны, направлять "животные духи" в различные части мозга до тех пор, пока они не встретят следов, оставленных тем предметом, который душа хочет вспомнить. Эти следы - не что иное, как приобретенное свойство пор мозга, через которые раньше проходили "духи", вызванные этим предметом, открываться с большей готовностью "духам", повторно приходящим к ним. Таким образом, "духи", встречая эти поры, входят в них легче, чем в другие, и вызывают особое движение в железе, передающее душе этот предмет и указывающее ей на то, что он и есть тот самый, который она хотела вспомнить." Р.Декарт, Страсти души (1649)

• 
  Слайд 19

  Дальнейшее развитие модели

  Как экспрессия генов в ядре, обеспечивает избирательную стабилизацию именно тех синапсов, которые вовлекались в обучение? Гипотеза проекции мембраны нейрона на геном (Е.Н.Соколов, 1981) "Карта внешней поверхности представлена в виде развертки на молекуле ДНК. С другой стороны определенные участки ДНК содержат информацию о направлении транслокации синтезированного белка. В результате в определенном участке мембраны происходит локально-специфическое усиление встраивания синтезированного рецептивного белка." Аргументы против: а). теоретические расчеты соотношения количества синапсов и количества генов, экспрессирующихся в нейроне. б). экспериментальные данные о клеточных функциях "поздних" генов при обучении.

• 
  Слайд 20
  

  Гипотеза "синаптических ярлыков" (Frey & Morris, 1997)

• 
  Слайд 21

  Трудности данной модели:

  Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона Другие молекулярные механизмы поддержания памяти: Аутофосфорилирование белков Прионные белки в синапсах Эпигенетические перестройки хроматина при обучении

• 
  Слайд 22
  

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells Cytoplasm Nucleus PKA PP1 NeurotransmittersGrowth factors Neuromodulators G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC CREB P Glu Ca2+ -induced Ca2+release RyR ER CAM CAM MAPK Rsk MAPK Rsk CaMKIV CAM Ras Raf MEK SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos (S133) CBP cAMP AC-ATP PKA TCF/Elk-1 SRF P CK-II rS6K SIF P SIF ERK ERK N e w e x p e r i e n c e

• 
  Слайд 23
  

  Molecular cascades of experience-dependent gene expression in the nerve cells Cytoplasm Nucleus PKA PP1 NeurotransmittersGrowth factors Neuromodulators G-protein coupled receptor Receptor tyrosine kinase NMDAR L-VGCC CREB P Glu Ca2+ -induced Ca2+release RyR ER CAM CAM MAPK Rsk MAPK Rsk CaMKIV CAM Ras Raf MEK SIE TCF/ETS-E SRE E-box AP-1/CRE CRE c-Fos (S133) CBP cAMP AC-ATP PKA TCF/Elk-1 SRF P CK-II rS6K SIF P SIF ERK ERK N e w e x p e r i e n c e

• 
  Слайд 24
  

  ПРОБЛЕМА: биологические механизмы поддержания памяти в течение многих лет Молекулярные основы памяти ДНК Может быть длительное поддержание памяти достигается не на клеточно-молекулярном уровне?

• 
  Слайд 25
  

  Фредерик Бартлетт 1886-1969 Трансформация памяти при ее извлечении "Я настаивал на протяжении всей дискуссии в этот книге на том, что описание воспоминаний как "фиксированных и безжизненных" есть всего лишь ошибочная фантазия. Воспоминание не является повторным возбуждением неисчислимых фиксированных фрагментарных следов. Оно есть всегда творческое воссоздание или конструирование, складывающееся из нашего отношения ко всей активной массе реакций и опыта прошлого." 1932

• 
  Слайд 26
  

  Трансформация памяти при ее извлечении Каждая реактивация памяти есть ее активная реконструкция; Каждая реконструкция памяти сопровождается рекатегоризацией; Вслед за каждой рекатигоризацией следует реконсолидация. Лозунг лаборатории в 1994 г.:

• 
  Слайд 27

  Что происходит с памятью после ее извлечения?

  Ничего Дальнейшая консолидация Модернизация старой памяти Перезапись старой памяти

• 
  Слайд 28
  

  Ничего Дальнейшая консолидация Модернизация старой памяти Перезапись старой памяти

• 
  Слайд 29
  
• 
  Слайд 30
  
• 
  Слайд 31
  

  Экспериментальная проверка:Что происходит с памятью при ее извлечении на фоне блокады процессов запоминания?

• 
  Слайд 32

  Модель обучения и формирования долговременной памяти у цыплят

  МОДЕЛЬ ПАССИВНОГО ИЗБЕГАНИЯ Однократное обучение; Модель эпизодической памяти; Ведет к формированию долговременной памяти; Память чувствительна к блокаде NMDA рецепторов и синтеза белка 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n = 22 15 18 * - p

• 
  Слайд 33

  Эффекты блокады синтеза белка на реактивированную память

  Chicks (Литвин,Анохин 1998) PASSIVE AVOIDANCE * 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Avoidance (%) 2 hours CXM R CXM+R 24 hours *

• 
  Слайд 34

  Effects of protein synthesis inhibition on reactivated memory

  Chicks (Литвин,Анохин 1997) PASSIVE AVOIDANCE * 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Avoidance (%) CXM R CXM+R 24 hours * Nader, K., Schafe, G. E. & LeDoux, J. E. Fearmemories require protein synthesis in the amygdalafor reconsolidation after retrieval. Nature 406,722–726 (2000). Przybyslawski, J., & Sara, S. J. (1997). Reconsolidation of memory after itsreactivation. Behavioural Brain Research, 84(1-2), 241–246.

• 
  Слайд 35

  Эффекты блокады синтеза белка на реактивированную память

  Mice (Muravieva & Anokhin, 2005) Training Reactivation Testing 0 10 20 30 40 50 60 70 * Freezing time (%) CXM R CXM+R FEAR CONDITIONING 3 hours * 6 hours 14 days * Chicks (Литвин,Анохин, 1998) PASSIVE AVOIDANCE * 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Avoidance (%) CXM R CXM+R 24 hours *

• 
  Слайд 36

  Species and task showing memory reconsolidation

• 
  Слайд 37

  Различия в молекулярных механизмах консолидации и реконсолидации

  Alberini, 2005

• 
  Слайд 38
  

  38 " As you know, I am working on the assumption that ... the material present in the form of memory-traces being subjected from time to time to a re-arrangement in accordance with fresh circumstances - to a re-transcription. Thus what is essentially new about my theory is the thesis that memory is present not once but several times over, that it is laid down in various species of indications."." Freud in a letter to his friend Fliss(1897) Ретранскрипция памяти

• 
  Слайд 39

  Memory consolidation during sleep

  Seminal experimental findings: 1. Neuronalfiring rates observed during wakingexperience recurin the hippocampus during ensuing SW and REM sleep (Pavlidesand Winson 1989); 2. Blockade of protein synthesisduring sleep impairs memory acquisition (Gutwein et al. 1980).

• 
  Слайд 40

  Regulation of gene expression during sleep

  Tononi et al. (2004)

• 
  Слайд 41

  Zif/268 expression during sleep after new experience and LTP

  Ribeiro & Nicolelis (2004)

• 
  Слайд 42

  Two-stage model for the role of sleep in memory consolidation

  Ribeiro & Nicolelis (2004)

• 
  Слайд 43

  Трудности данной модели:

  Объяснение долговременного поддержания измененного фенотипа нейрона Другие молекулярные механизмы поддержания памяти: Аутофосфорилирование белков Прионные белки в синапсах Эпигенетические перестройки хроматина при обучении Синтез новой ДНК при формировании памяти

• 
  Слайд 44
  

  Влияние субстратных ингибиторов ДНК-полимеразна формирование долговременной памяти у цыплятв модели вкусовой аверсии BrdU – структурный аналог IdU – 5’-бромо-2’-дезоксиуридин (100 мг/кг) АМТ - 3’-амино-3’-дезокситимидин,ингибитор ДНК-полимераз широкого спектра действия (10 мг/кг) AZT - 3’-азидо-3’-дезокситимидин,ингибитор обратной транскрипции (30 мг/кг) * * # * р

• 
  Слайд 45
  

  Заключение: Память в нервной систем способна сохраняться годами; Для инициации и поддержания этого процесса необходима активация экспрессии генов и эпигенетические перестройки хроматина в нервных клетках; Однако, этого по-видимому недостаточно; Возможно, поддержание памяти в течение многих лет использует механизм ее регулярной реактивации в различных ситуациях (напоминания, спонтанные воспоминания, сон, неосознаваемая активация при извлечении других воспоминаний), сопровождающеся реконосолидацией памяти. В основе реконсолидации также лежат долговременные клеточно-молекулярные процессы, которые могут отличаться от клеточно-молекулярных механизмов консолидации; Однако, возможно, есть и другой, еще неизвестный нам, молекулярный механизм перманентного сохранения измененного в результате обучения нейрона. Его стоит искать…

• 
  Слайд 46