1
Одна клетка образует порядка 2000 синаптических окончаний. Представим себе ситуацию, когда нам нужно запомнить какое-то явление или событие. Согласно принятой сейчас гипотезе, такая память хранится в мозге в распределённом виде, то есть не в одной конкретной клетке, а во многих, соединённых между собой нервной сетью. Различные нервные клетки образуют друг с другом синаптические контакты, и одновременная активация какой-то группы нервных клеток, какой-либо нервной сети приводит к тому, что мы вспоминаем о событии или, наоборот, запоминаем его. Память о событии — это память об одновременной активности большой группы клеток.
2
Нервные клетки обладают свойством пластичности. Пластичность — это способность к постоянному изменению. Она проявляется во время развития, когда клетка растит дендриты и аксоны, меняется морфологически и функционально. С другой стороны, есть синаптическая пластичность, которая означает изменение конкретного контакта между двумя клетками.
3
Представим себе ситуацию: некоторая клетка образует, скажем, 2000 контактов с соседями, а нам нужно для того, чтобы что-то вспомнить, активировать 5 из них. Как такое происходит? Это один из основных вопросов нейробиологии в настоящее время.
Нельзя сказать, что клетка сама что-то распознает, она активирует не только нужный синапс, а ещё и много других. Но дело в том, что изменение этого синапса происходит как со стороны пресинаптической клетки, так и со стороны постсинаптической; а также изменения происходят во внеклеточном матриксе, который соединяет пре- и постсинаптическую мембрану.
4
Явление синаптической пластичности очень сложное и затрагивает практически все молекулярные механизмы, которые существуют в компартментах клетки, будь то постсинаптическая мембрана, шипик на постсинаптической клетке или аксонная терминаль. Шипики — это небольшие выросты на дендритах, которые преимущественно являются местами образования синапсов в постсинаптической части синаптического контакта, а аксонная терминаль, — утолщение на конце аксона, которое представляет собой отдельный компартмент. И там, и там происходят изменения, связанные с запоминанием, упрочнением связей между двумя клетками.
5
Изменения происходят на всех уровнях: это изменение количества рецепторов нейромедиратора в постсинапсе, изменения в их функциональном состоянии и посттрансляционных модификациях. Самая хорошо изученная из них — фосфорилирование. Это процесс быстрого изменения конформации рецептора, при котором ферменты, которые называются киназы, прикрепляют остаток фосфорной кислоты к какой-то из аминокислот в полипептидной цепи рецептора. Это приводит к очень сильным изменениям конформации рецептора и может серьёзно влиять на его работоспособность. Кроме того, фосфорилированию подвергается множество других молекулярных мишеней, находящихся в постсинапсе. Происходит изменение цитоскелета, синтез дополнительных белков как вообще в клетке, так и внутри шипика.
Soderling TR, Derkach VA. Postsynaptic protein phosphorylation and LTP. Trends Neurosci. 2000 Feb; 23(2): 75-80.
Kandel ER. 2001. The molecular biology of memory storage: A dialogue between genes and synapses. Science 294: 1030–1038.
6
Основным механизмом, который приводит ко всем вышеперечисленным изменениям, является вход ионов кальция внутрь клетки через рецепторы глютамата и потенциал-зависимые кальциевые каналы. Он приводит к активации определённых киназ, которые уже впоследствии фосфорилируют довольно большое количество своих субстратов.
Johansen JP, Cain CK, Ostroff LE, LeDoux JE. 2011. Molecular mechanisms of fear learning and memory. Cell 147: 509–524
7
Одной из основных нерешенных проблем можно назвать гипотезу синаптической метки. Она была сформулирована Ричардом Моррисом, шотландским ученым, и в самом первом приближении гласит следующее: если в синаптическом контакте между двумя клетками происходят какие-то изменения, он должен быть каким-то образом промаркирован. Он назвал это synaptic tag — синаптической меткой. По этому предположению, когда происходит изменение синапса, внутри клетки каким-то образом ставится «флажок», и благодаря ему клетка знает, какой синапс является измененным. Что является этой синаптической меткой и есть ли она вообще — этот вопрос остается открытым и одним из основных в нейробиологии.
Frey U, Morris RG. 1997. Synaptic tagging and long-term potentiation. Nature 385: 533–536.
