Formiranje pamćenja ovisi o modifikacijama sinaptičke snage specifičnim za sinapse i o povećanju ekscitabilnosti specifičnom za stanice
Mar 14, 2022
Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Sažetak
The modification of synaptic strength produced by long-term potentiation (LTP) is widely thought to underlie memory storage. Indeed, given that hippocampal pyramidal neurons have>10,000 sinapsi koje se mogu neovisno mijenjati, potencijal za pohranu informacija sinaptičkom modifikacijom je ogroman. Međutim, nedavni rad sugerira da globalne promjene neuronske ekscitabilnosti posredovane CREB-om također igraju ključnu ulogu u formiranju pamćenja. Budući da te globalne promjene imaju skroman kapacitet za pohranu informacija u usporedbi s onom sinaptičke plastičnosti, njihova važnost za funkciju pamćenja nije jasna. Ovdje pregledavamo novonastale dokaze za kontrolu ekscitabilnosti ovisnu o CREB-u i raspravljamo o dva moguća mehanizma. Prvo, prolazna promjena u neuronskoj ekscitabilnosti ovisna o CREB-u obavlja funkciju raspodjele memorije osiguravajući da je memorija pohranjena na načine koji olakšavaju učinkovito povezivanje događaja s vremenskom blizinom (sati). Drugo, ove promjene mogu potaknuti formiranje staničnih sklopova tijekom faze konsolidacije pamćenja. Nije jasno jesu li takve globalne promjene ekscitabilnosti i lokalni sinaptički mehanizmi komplementarni. Ovdje tvrdimo da dva mehanizma mogu djelovati zajedno na promicanju korisne funkcije pamćenja.
Razjašnjenje molekularnih, staničnih i mrežnih mehanizama koji leže u osnovi učenja i pamćenja glavni je cilj moderne neuroznanosti. U jednom važnom ranom doprinosu, Donald Hebb je predložio da se asocijacije koje čine memoriju pohranjuju pomoću promjena u snazi sinapsi koje ovise o aktivnostima!. Mnogo kasnijeg rada pokazalo je da sinapse zapravo prolaze kroz jačanje ovisno o aktivnosti kako je zamislio Hebb, i to putem LTP-a (i komplementarnog procesa dugotrajne depresije (LTD))3. U kanonskom obliku LTP-a koji se nalazi u CAI hipokampalnim sinapsama, indukcija LTP-a ovisi o određenoj vrsti glutamatnog receptora, NMDAR, i o biokemijskoj kaskadi koju pokreće i održava obilje sinaptičkog proteina kalcij/kalmodulin-ovisna protein kinaza II(CaMKII)3 . Važno je da genetske modifikacije koje ometaju rad NMDAR ili CaMKII ne samo da blokiraju LTP, već također proizvode duboke nedostatke u učenju i pohrani memorije. Suprotno tome, gotovo sve mutacije koje poboljšavaju pamćenje također poboljšavaju LTP. Drugi rad je pokazao da se LTP, jednom induciran tijekom učenja7, može dvosmjerno modificirati stimulacijom nalik LTD/LTP-u, što dovodi do smanjenja i ponovnog pojavljivanja ponašanja vođenog pamćenjem8. Hipokampalni piramidalni neuroni imaju više od 10 000 sinapsi, a budući da se svaka sinapsa može neovisno modificirati LTP-om (tj. LTP je specifičan za sinapse), čak i jedan neuron ima impresivan kapacitet pohranjivanja informacija. Štoviše, računalna analiza pokazuje da je modifikacija sinaptičke snage pomoću LTP-a dovoljna za proizvodnju distribuirane memorije za pohranu u neuronskim mrežama10 Uzeti zajedno, ovi su nalazi doveli do široko rasprostranjenog mišljenja da LTP posreduje za memoriju.
Međutim, sve je više dokaza da promjene specifične za sinapse nisu jedina vrsta neuronskih promjena potrebnih za funkcije pamćenja. Naime, modifikacija globalnih svojstava neurona također ima važnu ulogu u učenju i pamćenju. Dokazi za takve promjene prvotno su dobiveni u pripravcima beskralježnjaka korištenim za proučavanje presinaptičke olakšice2 koja je u osnovi kratkoročne bihevioralne senzibilizacije. Ovo olakšavanje uključuje povećanje presinaptičke ekscitabilnosti uzrokovane smanjenjem K plus provodljivosti3. Drugi rad je pokazao da kondicioniranje Hermissendal povećava neuronsku ekscitabilnost smanjenjem K* vodljivosti. Istraživanje promjena u ekscitabilnosti povezanih s učenjem zatim je prošireno na kralježnjake5 i sada je potkrijepljeno višestrukim linijama dokaza16-19. U ovoj Perspektivi opisujemo te dokaze, kao i kritičnu ulogu transkripcijskog faktora CREB (cAMP-responsive element-binding protein) u ovom procesu. Zatim se bavimo pitanjem zašto neuroni kralježnjaka koji mogu pohraniti velike količine informacija modificiranjem svojih brojnih sinapsi također modificiraju globalna stanična svojstva putem regulacije transkripcije. Opisujemo dvije ideje o tome kako sinaptičke i transkripcijske modifikacije čine različite doprinose neophodne za cjelokupni proces formiranja pamćenja.
Djelovanje cistanche i proizvoda cistanche: poboljšava pamćenje i sposobnost učenja
Uloga transkripcijskog faktora CREB u pamćenju
Rani radovi na beskralježnjacima ukazali su na važnost regulacije transkripcije u pamćenju20. To je dovelo do interesa za CREB jer prolazi kroz aktivaciju ovisnu o fosforilaciji koja traje satima u hipokampusu kralježnjaka nakon indukcije LTP²' i učenja2. Važnost CREB-a za pamćenje sada je dokazana dvosmjernom manipulacijom funkcije CREB2324. Istraživači su koristili razne metode za negativnu modulaciju CREB-a, uključujući obaranje CREB-a (posebno a/6 izoforme), poremećaj CREB-a posredovan antisens oligodeoksinukleotidima, interferenciju RNA i ciljanu genetsku mutaciju23,25-27. Ove manipulacije neizbježno dovode do deficita pamćenja. Nasuprot tome, povećanje razine aktivnog CREB-a dovodi do poboljšanja pamćenja2²8,29.
Drugi val napretka u razumijevanju funkcije CREB proizašao je iz novorazvijenih alata koji su omogućili izravnu vizualizaciju i manipulaciju stanicama koje posreduju u pohrani memorije ('stanice tragova memorije'). Jedna od rezultirajućih metoda iskorištava činjenicu da stanice podvrgnute snažnoj aktivnosti, kao što se događa tijekom formiranja pamćenja, sintetiziraju povišene razine klase regulatornih proteina koji se nazivaju neposredno rani geni (IEG; na primjer, cFos i arc). Dugo je poznato da se ti proteini eksprimiraju u stanicama aktiviranim tijekom učenja, a njihova se ekspresija može koristiti za identifikaciju stanica tragova pamćenja30 Eksperimenti su pokazali da povećanje razine CREB-a u podskupu stanica povećava vjerojatnost da će se te stanice ugraditi u trag pamćenja, dok je smanjenje razine CREB-a imalo suprotan učinak31,32. Kod treniranih životinja, stanice s prekomjernom ekspresijom CREB-a imaju veću ekspresiju IEG od susjednih stanica. Važno je da se povećanje ekspresije IEG-a ovisno o CREB-u ne događa kod netreniranih miševa!. Ovi rezultati pokazuju da relativne razine CREB-a mogu utjecati na to koji će neuroni biti ugrađeni u trag pamćenja, što je fenomen koji se naziva dodjela memorije. Naknadne studije pokazale su da inhibicija ß i time pokazale da stanice s prekomjernom ekspresijom CREB-a negativno utječu na prisjećanje pamćenja3133-35 potrebu tih stanica za vraćanje pamćenja.
Dokaz da CREB modulira podražljivost stanica
Kojim bi mehanizmom CREB mogao kontrolirati dodjelu memorije? Budući da LTP ovisi o razini depolarizacije u postsinaptičkim neuronima, CREB bi mogao djelovati povećavajući neuronsku ekscitabilnost i time povećavajući ugradnju neurona u trag pamćenja. Ova je mogućnost sada testirana na nekoliko načina. U jednom nizu eksperimenata, intracelularne snimke dobivene su iz stanica koje su prekomjerno eksprimirale CREB. Kao što je prikazano na slici 1, ista veličina strujnog impulsa proizvela je više akcijskih potencijala u stanicama s prekomjernom ekspresijom CREB-a nego u obližnjim neuronima koji nisu prekomjerno eksprimirali CREB (također pogledajte reference 32,43637. Prekomjerna ekspresija CREB-a također je rezultirala manjim nakon -hiperpolarizacija (AHP) nakon niza akcijskih potencijala. Budući da takve AHP-ove stvaraju Kt kanali38, čini se vjerojatnim da je povećana ekscitabilnost stanica koje eksprimiraju CREB barem djelomično posljedica smanjene Kt vodljivosti. Također mogu postojati promjene ekscitabilnosti koje ovise o promjenama u prijevodu39, ali one su izvan opsega ovog pregleda jer ne uključuju CREB.
Druga vrsta pokusa korištena je za izravno ispitivanje je li manipulacija staničnom podražljivošću dovoljna da utječe na ugradnju stanice u trag pamćenja. U tim studijama, virusni vektori su korišteni za povećanje ekscitabilnosti kroz smanjenje funkcije K plus kanala (tj. kroz ekspresiju dominantno-negativnih oblika dvaju Kt kanala uključenih u AHP: KCNQ2 i KCNQ32). Stanice koje eksprimiraju mutirane kanale doista su preferirano dodijeljene memorijskom tragu, kao što pokazuju povećane razine IEG proteinskog luka u odnosu na one u susjednim neinficiranim neuronima. U povezanim eksperimentima, podražljivost stanica smanjena je ekspresijom Kir2.1, interno ispravljajućeg K't kanal Među Kir2.1 stanicama, vjerojatnost da su stanice bile aktivne smanjena je približno peterostruko u usporedbi sa stanicama koje nisu eksprimirale protein, a to je dovelo do smanjene inkorporacije u memorijski trag. Daljnji eksperimenti pokazali su važnost promjena ekscitabilnosti na razini ponašanja: kada je korišten opsin stupnjevite funkcije za povećanje ekscitabilnosti podskupa neurona amigdale neposredno prije kondicioniranja tonusa, naknadni eksperimenti ponašanja pokazali su da su ti neuroni dodijeljeni za pohranjivanje tonskog šoka kao SOCiation40.
Uzeti zajedno, ovi rezultati pokazuju da je glavna funkcija CREB-a povećati neuronsku ekscitabilnost.1,42 i time modulirati dodjelu neurona u trag pamćenja. Ovo pojačanje ekscitabilnosti snažnom neuralnom aktivnošću stoji u suprotnosti s modifikacijama intrinzičke i sinaptičke vodljivosti koje su homeostatske, to jest, gdje jaka neuralna aktivnost dovodi do smanjene ekscitabilnosti45. Ovo postavlja pitanje kakvu bi funkciju moglo imati povećanje ekscitabilnosti pomoću CREB-a. U modelima neuronske mreže, poboljšanje prijenosa putem LTP-a dovoljno je za proizvodnju funkcije pamćenja, pa što dodaje pojačanje ekscitabilnosti ovisno o CREB-u? Jedna od mogućnosti je alokacija, ali kakva je korist od alokacije? Ova su pitanja obrađena u sljedećem odjeljku.
Funkcije porasta ekscitabilnosti cijele stanice
U nastavku prvo opisujemo jednu hipotezu o ulozi promjena ovisnih o učenju u globalnoj ekscitabilnosti koja ima značajnu eksperimentalnu potporu. Zatim smo iznijeli drugu i spekulativniju mogućnost. Ove hipoteze se međusobno ne isključuju.
Djelovanje cistanche i proizvoda cistanche: poboljšava pamćenje i sposobnost učenja
Hipoteza dodjele do veze
Kao što je gore opisano, povećanje količine aktiviranog CREB-a pojačava ekscitabilnost i time utječe na alokaciju neurona u tragu pamćenja. Prema hipotezi allocate-to-link44, te promjene tvore vezu između sjećanja na događaje koji se događaju unutar nekoliko sati jedan od drugog, a ta veza ima važnu funkciju. Kao što je gore opisano, početni napad učenja dovodi do povećanja količine CREB-a u neuronima za kodiranje memorije koji traje satima. Rezultirajuće povećanje ekscitabilnosti dovodi do regrutiranja mnogih od ovih neurona za kodiranje nove memorije formirane tijekom razdoblja povećane ekscitabilnosti. Konačni rezultat je da su dva sjećanja kodirana blisko jedno uz drugo u vremenu kodirana skupovima neurona koji se preklapaju; stoga su ta dva sjećanja povezana, a ta veza može biti temelj prisjećanja odvojenih događaja koji se događaju tijekom razdoblja od nekoliko sati (Slika 2a).
Nedavna studija pokazala je da preklapajući ansambli hipokampalnih neurona doista hvataju sjećanja na kontekste koji su istraženi blisko u vremenu4. Kako bi izravno odredili kodiraju li preklapajuće stanice dva konteksta, autori su koristili minijaturni fluorescentni mikroskop montiran na glavi kako bi pratili prolazne pojave kalcija unutar CAl neurona hipokampusa miša dok su miševi istraživali različite kontekste. Došlo je do većeg preklapanja između neuronskih ansambala aktiviranih ovim kontekstima kada su dva konteksta istražena unutar istog dana (razmak od 5 sati) za razliku od različitih dana (razmak od 7 dana) (Slika 2b). To pruža izravnu potporu ideji da preklapajući neuronski ansambli kodiraju sjećanja nastala blisko u vremenu. Posljedica ovog preklapanja neurona je da ta sjećanja postaju bihevioralno povezana; Utvrđeno je da kada je jedan od konteksta izazvao reakciju straha, miševi su se također bojali povezanog konteksta, iako nikada nisu iskusili ništa averzivno u tom kontekstu (Slika 2c).
Daljnja potpora za hipotezu o dodjeljivanju veze dobivena je manipulacijom specifičnog udjela zajedničkih neurona za dva sjećanja. Ove studije su prvo pokazale da zajednički skup amigdale kodira dva slušna sjećanja na strah koja su stečena blisko u vremenu (u roku od 6 sati) i da su ta sjećanja povezana. Istraživači su pokazali specifičnu ulogu takvih zajedničkih neuronskih ansambala tako što su ih utišali, što je utjecalo na interakciju ponašanja dvaju zadataka ovisnih o amigdali, ali nije ometalo dohvaćanje pojedinačnih zadataka47.
Hipoteza allocate-to-link pretpostavlja da povećanje ekscitabilnosti ovisno o CREB-u povećava vjerojatnost da će stanica postati uzbuđena tijekom vremenski bliskog kodiranja drugih sjećanja, čime se sjećanja povezuju poboljšavajući njihovu sinaptičku povezanost. Kao što je navedeno, povećanja ekscitabilnosti ovisna o CREB-u nisu homeostatska. Prema tome, postoji zabrinutost da ovo povećanje ekscitabilnosti može pojačati LTP i da pojačani odgovori mogu učiniti kasniji LTP vjerojatnijim, što potencijalno može dovesti do nenamjernog pojačavanja. Međutim, sinaptička snaga se može zasititi4849, a rezultirajuće ograničenje LTP-a može otkloniti zabrinutost zbog nekontrolirane ekscitacije.
Hipoteza konsolidacije sklopa
Many cells may represent similar information (for example, a place in the environment). During learning, these cells will fire together, and connections among them will be strengthened, thereby forming a stable memory ensemble. We now know that this strengthening will fade unless synapses undergo additional changes after learning, in a process termed consolidation. These consolidation processes, which include stabilization of synapses that were potentiated during learning (synaptic consolidation)and transfer of information from the hippocampus to the cortex(systems consolidation), occur during periods of rest and sleep that follow the learning events. During these periods,100-ms-long events termed sharp-wave ripples(SWRs) take place in the hippocampus. Analysis of neural firing patterns during SWRs shows that they replay recent memory>0-2. Ovo ponavljanje ključno je za formiranje stabilnog pamćenja, budući da specifični poremećaj SWR-a dovodi do jakih nedostataka pamćenja53-55. Čini se vjerojatnim da bi uključenost neurona u SWR-ove bila pojačana povećanjem ekscitabilnosti (također vidi ref. 3). To nas navodi da sugeriramo da je druga funkcija povećanja ekscitabilnosti ovisnog o CREB-u povećanje konsolidacije potrebne za formiranje stabilnog pamćenja.
Mehanizmi i selektivnost aktivacije CREB
Ako CREB ima važnu ulogu u raspodjeli i konsolidaciji pamćenja, njegova aktivacija bi trebala biti u velikoj mjeri ograničena na stanice koje su bile uključene u učenje i koje treba ugraditi u memorijski ansambl. Akcijski potencijali nisu pouzdan pokazatelj događaja povezanih s učenjem jer mogu proizaći iz aktivnosti prethodno potenciranih sinapsi.
Slično tome, LTP događaji u sinapsi nisu pouzdan pokazatelj da bi stanica trebala biti dio novog ansambla jer se LTP može pojaviti u dendritskoj grani bez somatskih natrijevih šiljaka57,58. Stvaranje stanične vatre, a time i mogućnost uključivanja u ansambl, može zahtijevati da se više grana podvrgne sinaptičkoj plastičnosti. Stoga bi moglo biti poželjno da se CREB preferirano aktivira kada postoje i događaji učenja u dendritu i dovoljno jaka depolarizacija da izazove okidanje. Stoga je vrijedno spomena da postoji značajna složenost u putovima koji dovode do aktivacije ovisne o CREB-u (Slika 3): kaskada kalmodulin kinaze povezuje somatske akcijske potencijale s aktivacijom CREB-a59,60, dok difuzija ERK-a od dendrita do some povezuje sinaptičku plastičnost s CREB aktivacija61. Jedna intrigantna mogućnost je da ovi putovi izvode biokemijsko izračunavanje potrebno za označavanje onih stanica koje treba ugraditi u skup.
Djelovanje cistanche i proizvoda cistanche: poboljšava pamćenje i sposobnost učenja
Rasprava
Području učenja i pamćenja nedostajao je koherentan pogled na to zašto i kako pamćenje ovisi o promjenama u sinaptičkoj snazi specifičnim za sinapse i globalnim promjenama u funkciji neurona. Nedavni tehnološki napredak omogućio je neviđenu vizualizaciju i kontrolu kružnih procesa koji leže u pozadini pamćenja, a dobiveni nalazi podupiru stajalište da se događaju globalne promjene u ekscitabilnosti i daju kritičan doprinos pamćenju. Ova opažanja dovode u pitanje standardne modele koji funkciju pamćenja pripisuju isključivo sinaptičkoj modifikaciji. Predstavljamo dvije hipoteze o specifičnoj ulozi CREB-ovisnih promjena u globalnoj ekscitabilnosti u pamćenju koje nadilaze tradicionalna gledišta; jedan (allocate-to-link) sada ima izravnu podršku, dok je drugi (model konsolidacije ansambla) izgrađen na eksperimentalnim opažanjima, ali još nije izravno testiran. Unatoč konceptualnim razlikama između ovih modela, oni dijele širok pogled na cjelokupni proces memorije - pogled koji uključuje događaje tijekom kodiranja i konsolidacije i na taj način nadilazi procese koji su izravno odgovorni za konačnu memoriju. U modelu allocate-to-link, promjene u ekscitabilnosti ovisne o CREB-u dodaju potpuno novu funkcionalnost memorijskom sustavu: sposobnost jednog sjećanja unutar vremenskog okvira da se selektivno povezuje s drugim sjećanjima unutar istog vremenskog okvira. U modelu konsolidacije sklopa, dodana funkcionalnost je poboljšanje konsolidacije—poboljšanje koje je specifično za ćelije tragova memorije i u konačnici je neophodno za formiranje stabilnog skupa.
Niti jedan od predloženih modela ne tvrdi da transkripcijske promjene zapravo leže u pozadini same memorije, pa su ti modeli dosljedni s prolaznom prirodom CREB promjena i učenja i LTP-a. Ovo je važna točka jer se često sugerira da transkripcijsko prebacivanje može omogućiti stabilniju dugotrajnu memoriju od sinaptičkih prekidača koji ovise samo o posttranslacijskim procesima. Naglašavamo da podaci o CREB-u ne podržavaju ovu sugestiju; iako se čini da je transkripcija ovisna o CREB-u neophodna za formiranje stabilnih sjećanja (osobito u modelu konsolidacije ansambla), ona sama po sebi nije stabilan mehanizam za pohranu informacija i stoga ne može posredovati u dugoročnom pamćenju. Ta se važna funkcija može oslanjati na stabilne promjene u sinapsi (ali vidi reference, 62,63) ili na transkripcijske promjene povezane s učenjem osim onih posredovanih CREB64,65 (za potencijalnu korisnost pretpostavljenih dugoročnih promjena u ekscitabilnosti, vidi ref. 66).
Ukratko, tvrdimo da bilo koji sveukupni model memorijskog sustava sada mora uključivati i stalne promjene u sinapsama i prolazne promjene u globalnoj ekscitabilnosti. Takve dvojne mehanizme ne treba promatrati kao proturječne. Umjesto toga, transkripcijske promjene ovisne o CREB-u funkcioniraju za promicanje stabilnih sinaptičkih modifikacija na način koji proizvodi korisne vremenske veze.
Djelovanje cistanche i proizvoda cistanche: poboljšava pamćenje i sposobnost učenja
Reference
1. Hebb, DO. Organizacija ponašanja: neuropsihološka teorija. Wiley; New York: 1949.
2. Bliss TV, Collingridge GL. Sinaptički model pamćenja: dugotrajno potenciranje u hipokampusu. Priroda. 1993; 361: 31-39. [PubMed: 8421494]
3. Bliss TVP, Collingridge GL. Ekspresija LTP-a ovisnog o NMDA receptoru u hipokampusu: premošćivanje podjele. Mol Brain. 2013.; 6:5. [PubMed: 23339575]
4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA receptori, stanice mjesta i hipokampalna prostorna memorija. Nat Rev Neurosci. 2004.; 5:361-372. [PubMed: 15100719]
5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Autofosforilacija na Thr286 alfa kalcij-kalmodulin kinaze II u LTP i učenje. Znanost. 1998.; 279: 870-873. [PubMed: 9452388]
6. Rossetti T, et al. Eksperimenti brisanja memorije ukazuju na kritičnu ulogu CAMKII pohrane u memoriji. Neuron. 2017.; 96: 207-216. [PubMed: 28957669]
7. Lee YS, Silva AJ. Molekularna i stanična biologija poboljšane kognicije. Nat Rev Neurosci. 2009.; 10:126-140. [PubMed: 19153576]
8. Nabavi S, i sur. Inženjering memorije s LTD i LTP. Priroda. 2014.; 511: 348-352. [PubMed: 24896183]
9. Matsuzaki M, Honkura N, Ellis-Davies GCR, Kasai H. Strukturna osnova dugotrajnog potenciranja pojedinačnih dendritičnih bodlji. Priroda. 2004.; 429: 761-766. [PubMed: 15190253]
10. Hopfield JJ. Neuroni s stupnjevanim odgovorima imaju kolektivna računalna svojstva poput onih neurona s dva stanja. Proc Natl Acad Sci USA. 1984; 81: 3088-3092. [PubMed: 6587342]
11. Morris RGM, et al. Elementi neurobiološke teorije hipokampusa: uloga sinaptičke plastičnosti ovisne o aktivnosti u pamćenju. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003; 358: 773-786. [PubMed: 12744273]
12. Castellucci V, Kandel ER. Presinaptička facilitacija kao mehanizam za bihevioralnu senzibilizaciju u Aplysia. Znanost. 1976.; 194:1176-1178. [PubMed: 11560]
13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Serotonin i ciklički AMP zatvaraju pojedinačne K plus kanale u Aplysia senzornim neuronima. Priroda. 1982; 299: 413-417. [PubMed: 6289122]
14. Alkon DL. Promjene membranskih struja tijekom učenja. J Exp Biol. 1984; 112:95-112. [PubMed: 6150967]
15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Promjene membrane specifične za kondicioniranje hipokampalnih neurona kunića mjerene in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 1986; 83: 2733-2737. [PubMed:3458232]
Djelovanje cistanche i proizvoda cistanche: poboljšava pamćenje i sposobnost učenja
