Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Распределение памяти - это процесс, который определяет, какие конкретные синапсы и нейроны в нейронной сети будут хранить данную память. [1] [2] [3] Хотя несколько нейронов могут получать стимул, 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 фактически продолжают кодировать память, и этот процесс называется синаптическим распределением. Распределение памяти было впервые обнаружено в боковой миндалине Шиной Джосселин.и его коллеги из лаборатории Альчино Дж. Сильвы . [4]

На нейрональном уровне клетки с более высоким уровнем возбудимости (например, с более низкой медленной постгиперполяризацией [5] ) с большей вероятностью будут задействованы в следах памяти, и существуют существенные доказательства причастности клеточного транскрипционного фактора CREB (белок, связывающий циклический AMP-элемент. ) в этом процессе. [5] [6] Определенные синапсы на рекрутированных нейронах с большей вероятностью подвергнутся усилению синаптической силы (известному как долгосрочная потенциация (LTP)) [7], и предложенные механизмы, которые могут способствовать распределению на синаптическом уровне, включают синаптическую маркировку , захват и синаптическая кластеризация. [3]

Распределение нейронов [ править ]

Распределение нейронов - это явление, которое объясняет, как определенные нейроны в сети, а не другие нейроны, получающие аналогичные входные данные, стремятся хранить определенную память. [3]

Роль CREB в распределении нейронов [ править ]

Множественные внутриклеточные сигнальные пути активируют CREB , способствуя транскрипции и трансляции целевых белков, которые поддерживают долгосрочную пластичность и распределение нейронов.

Белок, связывающий элемент ответа сАМР фактора транскрипции (CREB), представляет собой хорошо изученный механизм распределения нейрональной памяти. В большинстве исследований на сегодняшний день миндалевидное тело используется в качестве модельной схемы, и связанные со страхом следы памяти в миндалевидном теле опосредуются экспрессией CREB в отдельных нейронах, связанных с этими воспоминаниями. [4] [5] [8] CREB модулирует клеточные процессы, которые приводят к распределению нейронов, особенно в отношении плотности и морфологии дендритных шипов . [9]Многие из изученных на сегодняшний день механизмов памяти сохраняются в разных областях мозга, и вполне вероятно, что механизмы распределения памяти на основе страха, обнаруженные в миндалевидном теле, также будут аналогичным образом присутствовать для других типов воспоминаний в разных областях мозга. [3] Действительно, Сано и его коллеги из лаборатории Сильвы показали, что CREB также регулирует распределение нейрональной памяти в миндалевидном теле. [10]

CREB может активироваться несколькими путями. Например, пути циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и протеинкиназы A (PKA), по- видимому, участвуют в распределении нейронов. [3] При активации вторичными посредниками, такими как цАМФ и ионы кальция, ферменты, такие как PKA и MAP-киназа, могут перемещаться в ядро ​​и фосфорилировать CREB, чтобы инициировать транскрипцию генов-мишеней. [11] [12] Ингибиторы ПКА могут блокировать развитие длительной LTP., и это сопровождается снижением транскрипции генов, модулируемых белком CREB. [13]

Метапластичность в распределении нейронов [ править ]

Основная статья: Метапластичность

Метапластичность - это термин, описывающий вероятность того, что данный стимул вызовет нейронную пластичность, основанную на предыдущей активности, которую испытывал этот нейрон. Несколько исследований предоставили доказательства того, что нейроны, получающие «прайминговую активность» (такую ​​как нейротрансмиттеры, паракринные сигналы или гормоны) за несколько минут или дней до этого, будут иметь более низкий порог для индукции долгосрочной потенциации (ДП) . [14] [15] [16] Другие исследования показывают, что активация NMDAR также может повышать порог стимуляции для индукции LTP . [3] Таким образом, подобные входы в группы нейронов могут индуцировать LTP в некоторых, но не в других, в зависимости от предшествующей активности этих нейронов. [17]

Сигнальные механизмы , вовлеченные в этих метапластических эффекты включают аутофосфорилирование из αCaMKII , [18] изменения в NMDA - рецептора субъединицы состава, [19] и активации потенциал-зависимых кальциевых каналов . [18] [20] Эти метапластические эффекты регулируют дестабилизацию и реконсолидацию памяти . [21]

Синаптическое размещение [ править ]

Синаптическое распределение относится к механизмам, которые влияют на то, как синапсы сохраняют данную память. [3] Идея синаптического распределения является неотъемлемой частью концепции, согласно которой множественные синапсы могут быть активированы заданным набором входных данных, но конкретные механизмы определяют, какие синапсы на самом деле используются для кодирования памяти. Распределение воспоминаний по конкретным синапсам является ключом к определению места хранения воспоминаний .

Синаптические теги и захват [ править ]

Сильный стимул может производить как метку на стимулируемом синапсе, так и геномный сигнальный каскад, ведущий к образованию продуктов пластичности. Затем метка будет служить для фиксации этих пластичных продуктов. Слабый сигнал в соседнем синапсе может производить метку, но не геномный сигнал. Этот тег также может служить для захвата продуктов пластичности и усиления слабо стимулированного синапса. [17]
Основная статья: синаптические теги

Синаптическая активность может генерировать синаптическую метку, которая является маркером, который позволяет стимулированному позвоночнику впоследствии захватывать новые транскрибируемые молекулы пластичности, такие как Arc . Синаптическая активность также может задействовать перевод и транскрипцию.машины. Слабая стимуляция может создавать синаптические метки, но не задействует механизмы трансляции и транскрипции, тогда как сильная стимуляция создает синаптические метки, а также задействует механизмы трансляции и транскрипции. Недавно созданные белки, связанные с пластичностью (PRP), могут быть захвачены любыми помеченными синапсами, но немаркированные синапсы не подходят для получения новых PP. По прошествии определенного периода времени синапсы потеряют свою метку и вернутся в исходное состояние. Кроме того, поставки новых PRP истощатся. Теги и новые PRP должны перекрываться во времени, чтобы захватить PRP. [17] [22] [23]

Синаптические теги обратно пропорциональны время между побуждающими стимулами, и , как говорят, временно асимметричными. Кроме того, маркировка также обратно пропорциональна расстоянию между шипами, что является важным пространственным свойством маркировки. Напротив, подтверждая временные и пространственные свойства синаптического тегирования, последующие исследования изображений показали, что существуют не только временные ограничения, но и структурные ограничения, которые ограничивают механизмы синаптического тегирования и захвата. В целом, эти исследования демонстрируют сложность синаптического тегирования и захвата и дают более глубокое понимание того, как именно происходит этот механизм. [3]

Кластеризация позвоночника [ править ]

Синаптическая кластеризация относится к добавлению новых шипов в дендритную область, где другие шипы были добавлены в результате предыдущего обучения. [3] Кластеризация шипов может приводить к усилению синаптических входов через диффузные молекулярные перекрестные помехи, которые возникают вблизи активированных шипов.1 Например, исследования показали, что сигнальные молекулы, синтезированные в одном шипе (например, активированный RAS и / или RHOA), могут диффундировать и повлиять на рост позвоночника в соседних участках. [24] Rho ГТФ CDC42 может также способствовать позвоночнику кластеризации при движении долгосрочного объема позвоночника увеличивается. Недавние исследования также предполагают, 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 моторных воспоминаний. Эти сгруппированные шипы более стабильны, чем новые шипы, не сгруппированные в группы. Этот тип добавления шипов происходит по определенному шаблону, что означает, что шипы, добавленные после одной задачи, не будут объединяться со шипами после альтернативной задачи. [26] Потеря кластеризации позвоночника также возможна, как показано в некоторых экспериментах по кондиционированию страха , что приводит к чистой потере шипов в лобной ассоциативной коре, области, тесно связанной с кондиционированием страха, что сильно коррелирует с памятью при воспоминании.. После того, как шипы были добавлены после исчезновения страха, ориентация была аналогична шипам, потерянным во время первоначального кондиционирования. [27]

Механизмы, связывающие воспоминания во времени [ править ]

Дениз Кай из лаборатории Альцино Дж. Сильвы обнаружила, что механизмы распределения памяти используются для соединения или связывания воспоминаний во времени. [28]В своих исследованиях они продемонстрировали, что одна контекстная память запускает активацию CREB и последующее повышение возбудимости в подмножестве нейронов CA1 гиппокампа, так что последующая контекстная память, возникающая в течение 5 часов, может быть выделена некоторым из тех же нейронов CA1, которые хранится первая контекстная память. Как следствие этого перекрытия между энграммами памяти CA1 для двух контекстных воспоминаний, вызов одной контекстной памяти активирует извлечение второй памяти. Эти исследования также показали, что механизмы связывания контекстной памяти нарушаются в стареющем мозге и что повышение возбудимости в подмножестве нейронов CA1 обращает вспять эти дефициты связывания памяти.источник амнезии ), связанный со старением. В июле 2018 г. в специальном выпуске «13 открытий, которые могут все изменить» журнал Scientific American осветил открытие лаборатории Сильва в области распределения памяти и связывания [29]

Текущие и будущие исследования [ править ]

Интеграция синаптического и нейронального распределения [ править ]

Эксперименты еще предстоит изучить взаимодействие механизмов распределения между нейрональным и синаптическим уровнями. Эти два класса процессов, скорее всего, будут взаимосвязаны, учитывая взаимосвязь 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 одни дендриты больше, чем на другие, таким образом смещая память в синапсах в дендритах с более высокой возбудимостью. [30] [31] Аналогичным образом, для задействованных нейронов, демонстрирующих повышенную возбудимость, необходимо выбрать определенные синапсы, чтобы хранить информацию в форме синаптической пластичности.

Один из аспектов интеграции включает в себя метапластичность и то, как получение и хранение одной памяти изменяет нейронную схему, чтобы повлиять на хранение и свойства последующей памяти. Возбудимость клеток была предложена как один из механизмов, ответственных за гетеросинаптическую метапластичность, модуляцию последующей пластичности в различных синапсах. [32] CREB функционирует за счет повышения возбудимости клеток, как описано выше, таким образом, он также, возможно, участвует в гетерросинаптической метапластичности. Синаптическая маркировка и захват, как описано в разделах выше, может привести к слабой памяти (способной запускать только E-LTP), о которой в противном случае можно было бы забыть, но ее можно усилить и стабилизировать с помощью сильной памяти (способной запускать L-LTP) , которая является формой гетеросинаптической пластичности.

Будущие исследования [ править ]

Несмотря на обширные исследования отдельных механизмов распределения памяти, существует несколько исследований, посвященных интеграции этих механизмов. 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 синаптической маркировке и захвате, а также расположенных выше и ниже молекул CREB может помочь выявить потенциальные взаимодействия. Изучение функционального значения этих механизмов потребует инструментов, которые могут напрямую манипулировать и отображать процессы, участвующие в предлагаемых механизмах in vivo. [3]Например, возможно, что поведенческие взаимодействия, приписываемые синаптической маркировке и захвату, вызваны зависимым от синтеза белком повышением нейромодуляторов, таких как дофамин, а не механизмами синаптической маркировки. Изучение поведенческих эффектов при прямом манипулировании может помочь исключить эти другие возможные причины.

См. Также [ править ]

  • Консолидация памяти
  • Энграмма
  • Теория множественных следов
  • Долгосрочное потенцирование
  • Синаптическая маркировка

Ссылки [ править ]

  1. ^ Вон, Дж. И А. Дж. Сильва, Молекулярные и клеточные механизмы распределения памяти в нейросетях. Neurobiol Learn Mem, 2007. PMC  2673809.
  2. ^ Сильва, AJ, Чжоу, Y, Роджерсон, T, Shobe, J и Balaji, J. Молекулярные и клеточные подходы к распределению памяти в нервных цепях. Science, 16 октября 2009 г .; 326 (5951): 391-5. PMID  19833959 .
  3. ^ Б с д е е г ч я J K L Роджерсон, T. и др. Синаптические теги во время выделения памяти. Nature Rev. Neurosci 15, 157-169 (2014).
  4. ^ а б Хан, Дж. Х., Кушнер, С. А., Ю, А. П., Коул, С. Джей, Матыня, А., Браун, Р. А., ... и Джосселин, С. А. (2007). Конкуренция и отбор нейронов при формировании памяти. наука, 316 (5823), 457-460.
  5. ^ a b c Чжоу, Ю., Вон, Дж., Карлссон, М.Г., Чжоу, М., Роджерсон, Т., Баладжи, Дж., ... и Сильва, AJ (2009). CREB регулирует возбудимость и выделение памяти подмножествам нейронов миндалины. Природа нейробиологии, 12 (11), 1438-1443.
  6. ^ Ю, AP и др. Нейроны привлекаются к следу памяти на основе относительной возбудимости нейронов непосредственно перед тренировкой. Нейрон 83, 722-735 (2014)
  7. ^ Bliss, TV, & Collingridge, GL (1993). Синаптическая модель памяти: долговременная потенциация в гиппокампе. Природа, 361 (6407), 31-39.
  8. ^ Хан, JH, Кушнер, SA, Ий, AP, сян ЯВА, Buch, Т., Вайсман А., ... & Josselyn, SA (2009). Избирательное стирание воспоминаний о страхе. Наука, 323 (5920), 1492-1496.
  9. ^ Sargın Д., Mercaldo В., Йиу А.П., Хиггс, Г. Хан, JH, Frankland, PW, и Josselyn, SA (2013). CREB регулирует плотность позвоночника латеральных нейронов миндалины: влияние на распределение памяти. Границы поведенческой нейробиологии, 7.
  10. ^ Сано, Y Шоб, ДЛ, Чжоу, М, Хуанг, S, Кай, диджей, Рот, BL, Kamata, М и Сильва, AJ. CREB регулирует распределение памяти в островной коре головного мозга. Curr Biol. 2014 13 ноября; 24 (23): 2833-283 (2014) PMID 25454591 
  11. ^ Адамс, JP, & Sweatt, JD (2002). Молекулярная психология: роли каскада киназ ERK MAP в памяти. Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии, 42 (1), 135-163.
  12. ^ Treisman, R. (1996). Регуляция транскрипции каскадами киназ MAP. Текущее мнение в области клеточной биологии, 8 (2), 205-215.
  13. Перейти ↑ Nguyen, PV, & Woo, NH (2003). Регуляция синаптической пластичности гиппокампа с помощью циклических АМФ-зависимых протеинкиназ. Прогресс нейробиологии, 71 (6), 401-437.
  14. ^ Goussakov, И. В., Финк, К., Эльгер, CE & Бек, H. (2000). Метапластичность синаптической передачи мшистых волокон включает изменение вероятности высвобождения. Журнал неврологии, 20 (9), 3434-3441.
  15. Перейти ↑ Abraham, WC, & Tate, WP (1997). Метапластичность: новый взгляд на синаптическую пластичность. Прогресс нейробиологии, 52 (4), 303-323.
  16. ^ Кун, Алекс С. и др. «Ауторегуляторный и паракринный контроль синаптической и поведенческой пластичности с помощью октопаминергической передачи сигналов». Природа нейробиологии 14.2 (2011): 190-199.
  17. ^ a b c Руди, Дж. (2014). Конкретные механизмы: нацеливание на изделия из пластичности. В нейробиологии обучения и памяти (второе издание, стр. 113-116). Sinauer Associates.
  18. ^ a b Чжан, Л., Киршштейн, Т., Соммерсберг, Б., Меркенс, М., Манахан-Воган, Д., Эльгерсма, Ю., и Бек, Х. (2005). Синаптическая метапластичность гиппокампа требует ингибирующего аутофосфорилирования Са2 + / кальмодулин-зависимой киназы II. Журнал неврологии, 25 (33), 7697-7707.
  19. ^ Чо, KK, Khibnik, Л., Филпот, BD, и медведь, MF (2009). Соотношение субъединиц рецептора NR2A / B NMDA определяет качества пластичности глазного доминирования в зрительной коре. Слушания Национальной академии наук, 106 (13), 5377-5382.
  20. Перейти ↑ Lee, MC, Yasuda, R., & Ehlers, MD (2010). Метапластичность одиночных глутаматергических синапсов. Нейрон, 66 (6), 859-870.
  21. ^ Финни, Питер С. Б., и Карим Надер. «Роль механизмов метапластичности в регулировании дестабилизации и реконсолидации памяти». Обзоры неврологии и биоповеденческих исследований 36.7 (2012): 1667-1707.
  22. ^ Фрей, У. и Моррис, Р.Г. Синаптическая маркировка: последствия для позднего поддержания долгосрочной потенциации гиппокампа. Trends Neurosci. 21. С. 181–188 (1998).
  23. ^ Govindarajan, A. et al. Дендритная ветвь является предпочтительной интегративной единицей для зависимого от синтеза белка LTP. Нейрон 69, 132–146 (2011).
  24. ^ Харви, CD и др. Распространение активности Ras вызвано активацией одного дендритного шипа. Science 321, 136–140 (2008).
  25. ^ Муракоши, Х., Ван, Х. и Ясуда, Р. Локальная, стойкая активация Rho GTPases во время пластичности отдельных дендритных шипов. Природа 472, 100–104 (2011)
  26. ^ Fu, M. et al. Повторяющееся моторное обучение индуцирует скоординированное формирование кластерных дендритных шипов in vivo. Nature 483, 92–95 (2012).
  27. ^ Lai, CS и др. Противоположные эффекты кондиционирования и угашения страха на ремоделирование дендритных позвонков. Nature 483, 87–91 (2012).
  28. ^ Цай диджей, Ахарони D, Шуман Т, Шоб Дж, Biane Дж, песни Вт, Вэй В, Veshkini М, Ла-Vu М, Лу Дж, Флорес S, Ким Я, Сано У, Чжоу М, Baumgaertel К, Лави , Камата М, Тушинский М, Мэйфорд М, Гольшани П., Сильва А.Дж. Общий нейронный ансамбль связывает различные контекстные воспоминания, закодированные во времени. Nature 2016 23 мая; 534 (7605): 115-8
  29. ^ Сильва, AJ Как одно воспоминание прикрепляется к другому. В «Революции в науке: открытия, которые могут все изменить». Scientific American; Июль 2018, Том 27, Выпуск 3
  30. ^ Larkum, ME & Nevian, T. Синаптическая кластеризация с помощью дендритных сигнальных механизмов. Curr. Opin. Neurobiol. 18, 321–331 (2008).
  31. ^ Losonczy, A., Makara, JK & Magee, JC Компартментарная дендритная пластичность и хранение входных характеристик в нейронах. Природа 452, 436–441 (2008)
  32. ^ Фрик, А. & Джонстон, Д. Пластичность дендритной возбудимости. J. Neurobiol. 64, 100–115 (2005)