Механизмы памяти

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теории и процессы памяти человека

Важнейшая особенность психики состоит в том, что отражение внешних воздействий постоянно используется индивидом в его дальнейшем поведении. Постепенное усложнение поведения осуществляется за счет накопления индивидуального опыта. Формирование опыта было бы невозможно, если бы образы внешнего мира, возникающие в коре мозга, исчезали бесследно. Вступая в различные связи между собой, эти образы закрепляются, сохраняются и воспроизводятся в соответствии с требованиями жизни и деятельности.

Запоминание, сохранение и последующее воспроизведение индивидом его опыта называется памятью. В памяти различают такие основные процессы: запоминание, сохранение, воспроизведение и забывание. Указанные процессы не являются автономными психическими способностями. Они формируются в деятельности и определяются ею. Запоминание определенного материала связано с накоплением индивидуального опыта в процессе жизнедеятельности. Использование в дальнейшей деятельности того, что запомнилось, требует воспроизведения. Выпадение же определенного материала из деятельности ведет к его забыванию. Сохранение материала в памяти зависит от участия его в деятельности личности, поскольку в каждый данный момент поведение человека определяется всем его жизненным опытом.

Память, таким образом, есть важнейшая, определяющая характеристика психической жизни личности. Роль памяти не может быть сведена к запечатлению того, что “было в прошлом”. (Образы прошлого в психологии именуются представлениями.) Никакое актуальное действие немыслимо вне процессов памяти, ибо протекание любого, пусть даже самого элементарного, психического акта обязательно предполагает удержание каждого данного его элемента для “сцепления” с последующими. Без способности к такому “сцеплению” невозможно развитие: человек оставался бы “вечно в положении нясворожденного” (И. М. Сеченов).

2. Ионотропная и метаботропная возбудимость нейрона

В мембрану нейрона встроены два типа рецепторов -- ионо- и метаботропные.

Первые, взаимодействуя с медиаторами и каналами, вызывают электрические реакции -- постсинаптические потенциалы (ПСП). Их сумма может возбудить нейрон и запустить спайк, который называется вызванным. Метаботропные рецепторы, воспринимая химические и электрические стимулы, не вызывают значимых ПСП, но с помощью второго посредника генерируют спайки, которые называются «спонтанными». О них Дж. Экклз заметил, «существует много примеров химической передачи возбуждения, когда постсинаптические потенциалы (ПСП) не генерируются».

Теперь известно, что эндогенная активность (ЭА) нейронов не случайна.

Она зависит от входных сигналов и детерминирует выходные реакции .

ЭА доминирует при бодрствовании, но пропадает в глубоком сне и под наркозом. В клетках Гольджи и Пуркинье мозжечка ЭА представлена в форме обыкновенных спайков.

Главное свойство метаботропных рецепторов -- их высочайшая чувствительность. Ее демонстрируют сенсорные клетки: обоняние обнаруживает несколько молекул, зрение -- несколько квантов света: «Конформация одной рецептивной молекулы активирует много молекул трансдуцина, каждая из них инактивирует тысячи молекул цГМФ и т. д.» . Сигнал возрастает в сотни тысяч раз. Трансдуцин (родопсин) аналогичен многим нейрорецепторам, сокращенно GPCR -- guanine protein-coupled receptors, а циклический нуклеотид цГМФ действует как второй посредник, запуская генерацию эндогенного спайка. Более того, внутриклеточное усиление переносит конформационный сигнал на 300-400 мкм от удаленных дендритов к соме без возбуждения мембраны дендритов.

Нейрон, как и сенсорная клетка, благодаря усилению легко преодолевает грубость механизма прямой деполяризации (ПД) нейрона, обусловленную низким емкостным импедансом.

Усиление присуще и пейсмекерному механизму. «Спонтанные» спайки возникают в культуре нейронов, не имеющих синапсов, и даже на фоне развития ТПСП в клетке.

3. Агрегация рецепторов и каналов

Каждый рецептор образован полипептидной цепью, которая соединят внешнюю и внутреннюю среды клетки. Вне- и внутриклеточные части этого интегрального белка в основном гидрофильны, а соединяющие их внутримембранные участки -- гидрофобны. Эти гидрофобные участки цепи закручивается в спирали, образуя один или несколько трансмембранных доменов. Семь таких спиралей ТМ1-ТМ7, характерных для GPCR рецепторов, показаны на рис. 1А.

Они соединяют вне- и внутриклеточную части молекулы. Внешняя ее часть, взаимодействующая с медиаторами, имеет участки-сенсоры, которые определяют специфику рецепции. Биохимическими и генетическими методами выявлены молекулярные конструкции цепей многих рецепторов, определены места связывания с агонистами, антагонистами и блокаторами, выяснены конформационные механизмы рецепции на внеклеточной стороне мембраны. На стороне цитоплазмы определены участки-эффекторы, активные группы которых инициируют выходные реакции, в том числе, катализ второго посредника. Молекулярные группы на исполнительной стороне мембраны определяют также характер сигнализации. От них зависит выбор метаболической реакции, например потенциации усилительного механизма клетки или запуск спайка.

В приведенном примере межспиральные участки рецептора соединяются тремя внешними и тремя внутриклеточными петлями. Они и длинные концевые части молекулы стелятся по обеим сторонам мембраны, формируя вторичные структуры на поверхности раздела фаз. Амфифильные и гидрофобные аминокислотные остатки этих цепей частично погружены в билипидный матрикс (БЛМ) с обеих его сторон, а гидрофильные -- препятствуют полному погружению. Поэтому цепи расщепляются на подслои, растягивая полипептидные связи: гидрофильные участки удерживаются в водных фазах снаружи и внутри клетки, а гидрофобные -- погружаются в БЛМ с обеих его сторон навстречу друг другу. Рис. 1А схематизирует такое расщепление и показывает, что погруженные подслои сближаются в БЛМ и могут трансмембранно взаимодействовать с такими же цепями смежных рецепторов.

Подвижность боковых групп белковой цепи не зависит от ее вторичной структуры. Сближаясь в центре БЛМ, погруженные подслои взаимодействуют с противолежащими подслоями смежных рецепторов. Глубина погружения зависит от гидрофобности аминокислотных остатков, их чередования в пептидной цепи, трансмембранного взаимодействия с оппозитными остатками, ионизации соответствующих пар и мембранного потенциала. Наиболее глубоко погружаются звенья, не перемежающиеся гидрофильными остатками. Например, большая часть молекулы бактериородопсина «тонет» в БЛМ. Погружение можно углублять, нейтрализуя часть внемембранных зарядов протонами (понижением pH). Кальциевые и другие бивалентные ионы, не только нейтрализуют эти заряды, но перезаряжают участки положительно, и они могут погрузиться дополнительно на величину этого иона (аналог гиперполяризации мембраны). Кальций-связывающие участки рецептора влияют на его конформационную активность. То же происходит на стороне цитоплазмы. Встречное погружение внутримембранных цепей может удвоить их сближение и усилить трансмембранное взаимодействие. В результате возможна дополнительная ионизация цепей. Трансмембранное взаимодействие смежных рецепторов объединяет их в кластеры. Оно же влияет на их конформационные свойства.

Взаимодействуя, участки молекулы образуют вторичные и третичные структуры. В одиночном рецепторе наиболее сильно взаимодействуют через мембрану длинные концевые цепи доменов ТМ1 и ТМ7.

Они могут замкнуть часть молекулы в кольцо, где оказываются остальные домены. Их более короткие междоменные цепи связываются слабее, образуя структуры близкие к гексагональным. Пары мономеров ТМ1-ТМ7 способны к димеризации. Смежные рецепторы с разобщенными концевыми группами доменов ТМ1 и ТМ7 могут взаимодействовать сильнее, образуя кольцо из 14-ти доменов. Они также образуют структуру близкую к гексагональной. Чем выше концентрация рецепторов в мембране, тем более вероятны большие рецептивные олигомерные структуры.

Они содержат сотни рецепторов и имеют размеры порядка 0.5-2 мкм. В гексагональной структуре каждый рецептор может контактировать с шестью смежными рецепторами, но часть этих связей может быть занята каналами.

Основной проблемой клеточной сигнализации является причинно-следственная связь между конформациями сенсорных и эффекторных цепей рецептора. Этот механизм исключительно важен не только для понимания функций рецепторов, но и каналов. Причину трансмембранной передачи сигналов обычно усматривают в конформациях промежуточного звена --спиральных протомеров, для чего анализируют их взаимное положение и взаимодействие зарядов. Наш подход отличается тем, что переориентация спиральных протомеров считается не причиной, а следствием прямого трансмембранного электростатического взаимодействия концевых и отчасти межспиральных цепей рецептора, точнее -- их погруженных в БЛМ участков, несущих воротные заряды (ВЗ). Это взаимодействие охватывает смежные рецепторы, служит причиной их димеризации и олигомеризации, а также делает конформационные изменения объединенных молекул кооперативными. Недимеризованные рецепторы не способны управлять ионными каналами.

Молекулы ионных каналов (ИК) имеют сходные с рецепторами спиральные участки внутри мембраны и могут взаимодействовать с рецепторами и между собой по той же схеме. Аналогично ИК могут объединяться с рецепторами, образуя общие канально-рецептивные структуры. В них конформации рецепторов могут управлять каналами, хотя некоторые каналы, не окруженные рецепторами, способны самостоятельно изменять свои конформации.

4. Позиционирование рецепторов и каналов среди источников медиаторов

Одни и те же рецепторы могут действовать как метаботропные или ионотропные в зависимости от локализации. Она же зависит от латеральной подвижности рецепторов и дивергенции медиаторов за пределы синапсов, исследованной во многих работах.

Дивергирующие медиаторы направляют дрейф интегральных белков, в том числе рецепторов и каналов. Структурообразующими элементами в этом процессе являются постсинаптические уплотнения (ПСУ). Входящий в него белок PSD-95 связывает C-терминали рецепторов и каналов, удерживая их в синаптической щели. Эта фиксация обеспечивает высочайшую концентрацию в ИРК рецепторов и каналов и обеспечивает их мощное ионотропное действие. Но ПСУ препятствует метаботропным рецепторам контактировать с цитоплазмой и, следовательно, активировать второй посредник.

В синаптической щели удерживаются, например, NMDA-рецепторы, а AMPA-рецепторы вытесняются из нее. Вместе с ними секреция медиаторов вытесняет из синаптической щели и некоторое количество незаякоренных каналов. Вместе они дрейфуют от окрестных синапсов к квазистационарным точкам перисинаптической мембраны, где статистическая сумма гидравлических градиентов за многодневный период нулевая. Эти локусы, называемые эффективными центрами синаптических ловушек, благоприятны для кластеризации незаякоренных белков и образования МРК. Эффект кластеризации показан на примере глутаматных рецепторов: вокруг синапсов и МРК формируются зоны свободные от рецепторов. В МРК могут включаться и каналы. Их связь с рецепторами проявляется в электрических реакциях, которые, разумеется, слабее, чем в ИРК, но число рецептор-рецепторных связей уменьшается.

В «ловушке» МРК сдвинут от ее геометрического центра к более слабым синапсам. Это уравнивает влияние разнородных синапсов на реактивность МРК и стабилизирует адресные свойства его синаптической ловушки. Если эффективность синапсов меняется, то МРК медленно смещается в синаптической ловушке так, что эти изменения компенсируются. Конформации МРК в ловушке индуцируются не только экстрасинаптическими медиаторами данного нейрона, но и медиаторами синапсов смежных клеток. Кроме того, в механизме позиционирования МРК участвуют медиаторы, которые непосредственно секретируются в нейроно-глиальные щели несинаптическими терминалями и варикозами аксонов. Следовательно, в адресации МРК участвуют все окрестные источники медиаторов. Первопричина резкого функционального отличия МРК от ИРК обусловлена связыванием рецепторов и каналов в ПСУ.

На перисинаптической мембране оно не препятствует МРК запускать усилительный механизм клетки и обусловливает их высочайшую чувствительность.

Из-за резкого уменьшения концентрации медиаторов при транспортировке и обратном захвате, а также присутствия тормозных медиаторов необходимым условием активации МРК является когерентный приход возбуждающих медиаторов к МРК от многих разноудаленных окрестных синапсов и несинаптических источников. Все эти источники образуют синаптическую ловушку.

Для каждой ловушки существует определенный набор паттернов нервных импульсов, который обеспечивает такую когерентность. Он называется адресным доменом МРК. Далее мы покажем, что МРК в синаптической ловушке выполняет функции элемента памяти. Оптимальные характеристики когерентной адресации МРК были исследованы ранее.

память рецептор нейрон возбудимость

Литература

1. Прибрам К. Языки мозга. М.: Прогресс, 1975. 467 с.

2. Радченко А. Н. Информационный ключ к памяти мозга // Труды СПИИРАН. Вып. 3, т. 2. - СПб.: Наука, 2006.

3. Соколов Е. Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. М.: Наука, 1981. 140 с.

4. Экклз Дж. Тормозные пути центральной нервной системы. М.: Мир, 1971. 168 с.

Размещено на Allbest.ru