Tvorba paměti závisí na modifikacích synaptické síly specifických pro synapse a na zvýšení vzrušivosti specifickém pro buňky

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Abstraktní

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 nezávisle modifikovatelných synapsí, potenciál pro ukládání informací synaptickou modifikací je obrovský. Nedávná práce však naznačuje, že globální změny neuronální excitability zprostředkované CREB také hrají zásadní roli při tvorbě paměti. Protože tyto globální změny mají ve srovnání se synaptickou plasticitou skromnou kapacitu pro ukládání informací, jejich význam pro paměťovou funkci nebyl jasný. Zde přezkoumáme nově se objevující důkazy pro kontrolu excitability závislé na CREB a diskutujeme o dvou možných mechanismech. Za prvé, přechodná změna neuronální excitability závislá na CREB provádí funkci alokace paměti, která zajišťuje, že paměť je uložena způsoby, které usnadňují efektivní propojení událostí s časovou blízkostí (hodiny). Za druhé, tyto změny mohou podporovat tvorbu buněčného uspořádání během fáze konsolidace paměti. Nebylo jasné, zda se takové globální změny excitability a lokální synaptické mechanismy vzájemně doplňují. Zde tvrdíme, že tyto dva mechanismy mohou spolupracovat na podpoře užitečné funkce paměti.

Hlavním cílem moderní neurovědy bylo objasnění molekulárních, buněčných a síťových mechanismů, které jsou základem učení a paměti. V důležitém raném příspěvku Donald Hebb navrhl, aby asociace, které tvoří paměť, byly uloženy pomocí změn v síle synapsí závislých na aktivitě!. Mnoho následných prací ukázalo, že synapse ve skutečnosti procházejí zesilováním závislým na aktivitě, jak si představoval Hebb, a činí tak prostřednictvím LTP (a komplementárního procesu dlouhodobé deprese (LTD)3. V kanonické formě LTP nacházející se v hipokampálních synapsích CAI závisí indukce LTP na konkrétním typu glutamátového receptoru, NMDAR, a na biochemické kaskádě iniciované a udržované hojným synaptickým proteinem kalcium/kalmodulin-dependentní proteinkinázou II (CaMKII)3 . Důležité je, že genetické modifikace, které interferují s funkcí NMDAR nebo CaMKII, nejen blokují LTP, ale také způsobují hluboké deficity v učení a ukládání paměti. Naopak téměř všechny mutace, které zlepšují paměť, také zvyšují LTP. Jiná práce ukázala, že LTP, jakmile je jednou indukován během učení7, může být obousměrně modifikován stimulací podobnou LTD/LTP, což vede jak ke snížení, tak ke znovuobjevení chování řízeného pamětí8. Hippokampální pyramidální neurony mají více než 10000 synapsí, a protože každá synapse může být nezávisle modifikována pomocí LTP (tj. LTP je synapse specifická), má i jediný neuron působivou kapacitu pro ukládání informací. Výpočetní analýza navíc ukazuje, že modifikace synaptické síly pomocí LTP je dostatečná k vytvoření distribuovaného paměťového úložiště v neuronových sítích10 Celkově vzato tato zjištění vedla k rozšířenému názoru, že LTP zprostředkovává paměťové úložiště.

Nicméně se hromadí důkazy, že změny specifické pro synapse nejsou jediným typem neuronových změn nezbytných pro paměťové funkce. Pozoruhodné je, že modifikace globálních neuronálních vlastností má také důležitou roli v učení a paměti. Důkazy pro takové změny byly původně získány v preparátech bezobratlých používaných ke studiu presynaptické facilitace2, která je základem krátkodobé behaviorální senzibilizace. Tato facilitace zahrnuje zvýšení presynaptické excitability způsobené snížením K plus vodivosti3. Jiná práce ukázala, že kondicionování Hermissendalu zvýšilo neuronální excitabilitu snížením vodivosti K*. Zkoumání změn vzrušivosti souvisejících s učením bylo poté rozšířeno na obratlovce5 a je nyní podpořeno několika řadami důkazů16-19. V této perspektivě popisujeme tento důkaz, stejně jako kritickou roli transkripčního faktoru CREB (cAMP-responsive element-binding protein) v tomto procesu. Poté se zabýváme otázkou, proč neurony obratlovců, které mohou ukládat velké množství informací modifikací svých četných synapsí, také modifikují globální buněčné vlastnosti prostřednictvím transkripční regulace. Popisujeme dvě myšlenky o tom, jak synaptické a transkripční modifikace různě přispívají k celkovému procesu utváření paměti.

Účinky cistanche a produktů cistanche: zlepšují paměť a schopnost učení

Role transkripčního faktoru CREB v paměti

Rané práce na bezobratlých poukázaly na důležitost transkripční regulace v paměti20. To vedlo k zájmu o CREB, protože prochází aktivací závislou na fosforylaci, která přetrvává hodiny v hipokampu obratlovců po indukci LTP²' a učení2. Důležitost CREB pro paměť se nyní ukázala prostřednictvím obousměrné manipulace s funkcí CREB2324. Výzkumníci použili různé metody k negativní modulaci CREB, včetně knockdownu CREB (konkrétně a/6 izoforem), antisense oligodeoxynukleotidem zprostředkovaného narušení CREB, interference RNA a cílené genetické mutace23,{7}}. Tyto manipulace vždy vedou k deficitu paměti. Naopak zvýšení hladin aktivního CREB vede ke zlepšení paměti2²8,29.

Druhá vlna pokroku v pochopení funkce CREB vzešla z nově vyvinutých nástrojů, které umožňovaly přímou vizualizaci a manipulaci s buňkami, které zprostředkovávají ukládání paměti (buňky sledování paměti). Jedna z výsledných metod využívá skutečnosti, že buňky procházející silnou aktivitou, ke které dochází při vytváření paměti, syntetizují zvýšené hladiny třídy regulačních proteinů označovaných jako bezprostřední rané geny (IEG; například cFos a arc). O těchto proteinech je již dlouho známo, že jsou exprimovány v buňkách aktivovaných během učení, a jejich exprese může být použita k identifikaci buněk paměťové stopy30 Experimenty ukázaly, že zvýšení hladin CREB v podskupině buněk zvyšuje pravděpodobnost, že tyto buňky budou začleněny do paměťová stopa, zatímco snížení hladin CREB mělo opačný účinek31,32. U trénovaných zvířat mají buňky nadměrně exprimující CREB vyšší expresi IEG než sousední buňky. Důležité je, že ke zvýšení exprese IEG závislé na CREB nedochází u netrénovaných myší!. Tyto výsledky ukazují, že relativní hladiny CREB mohou ovlivnit, které neurony jsou začleněny do paměťové stopy, což je fenomén označovaný jako alokace paměti. Následné studie ukázaly, že inhibice ß, a tím prokázaly, že buňky nadměrně exprimující CREB negativně ovlivňují paměťové vyvolání3133-35 nezbytnosti těchto buněk pro obnovení paměti.

Důkaz, že CREB moduluje buněčnou excitabilitu

Jakým mechanismem by mohl CREB řídit alokaci paměti? Vzhledem k tomu, že LTP závisí na úrovni depolarizace v postsynaptických neuronech, může CREB fungovat tak, že zvýší neuronální excitabilitu, a tím zvýší začlenění neuronů do paměťové stopy. Tato možnost byla nyní testována několika způsoby. V jedné sadě experimentů byly získány intracelulární záznamy z buněk, které nadměrně exprimovaly CREB. Jak je znázorněno na obr. 1, stejná velikost aktuálního pulzu produkovala více akčních potenciálů v buňkách s nadměrnou expresí CREB než v blízkých neuronech, které nadměrně neexprimovaly CREB (viz také odkazy 32,43637. Nadměrná exprese CREB také vedla k menšímu po -hyperpolarizace (AHP) po sledu akčních potenciálů. Protože takové AHP jsou generovány Kt kanály38, zdá se pravděpodobné, že zvýšená excitabilita buněk exprimujících CREB je alespoň částečně způsobena sníženou vodivostí Kt. Mohou také existovat změny excitability, které závisí na změnách v překladu39, ale ty jsou mimo rozsah tohoto přehledu, protože nezahrnují CREB.

Jiný typ experimentu byl použit k přímému testování, zda manipulace s buněčnou dráždivostí je dostatečná k ovlivnění začlenění buňky do paměťové stopy. V těchto studiích byly virové vektory použity ke zvýšení excitability prostřednictvím redukce funkce K plus kanálu (tj. prostřednictvím exprese dominantně-negativních forem dvou Kt kanálů zapojených do AHP: KCNQ2 a KCNQ32). Buňky exprimující mutantní kanály byly skutečně přednostně alokovány do paměťové stopy, jak je indikováno zvýšenými hladinami oblouku proteinu IEG vzhledem k těm v sousedních neinfikovaných neuronech. V souvisejících experimentech byla buněčná excitabilita snížena expresí Kir2.1, vnitřně usměrňujícího Kanál K't Mezi buňkami Kir2.1 byla pravděpodobnost, že buňky byly aktivní, přibližně pětinásobně snížena ve srovnání s buňkami, které neexprimovaly protein, a to vedlo ke snížení začlenění do paměťové stopy. Další experimenty ukázaly důležitost změn excitability na behaviorální úrovni: když byl opsin s krokovou funkcí použit ke zvýšení excitability podskupiny neuronů amygdaly těsně před úpravou tónu, následné behaviorální experimenty ukázaly, že tyto neurony byly přiděleny k uložení tónového šoku. jako SOCIACE40.

Celkově tyto výsledky ukazují, že hlavní funkcí CREB je zvýšit neuronální excitabilitu.1,42 a tím modulovat alokaci neuronů do paměťové stopy. Toto zvýšení excitability silnou nervovou aktivitou je v kontrastu s modifikacemi vnitřní a synaptické vodivosti, které jsou homeostatické, to znamená, kde silná nervová aktivita vede ke snížené excitabilitě45. To vyvolává otázku, jakou funkci může mít zvýšení excitability pomocí CREB. V modelech neuronových sítí je vylepšení přenosu pomocí LTP dostatečné k vytvoření paměťové funkce, takže co přidává zvýšení excitability závislé na CREB? Jednou z možností je alokace, ale jaká je užitečnost alokace? Těmito otázkami se zabývá následující oddíl.

Funkce celobuněčného zvýšení excitability

Níže nejprve popíšeme jednu hypotézu o roli změn závislých na učení v globální dráždivosti, která má podstatnou experimentální podporu. Pak jsme předložili druhou a spekulativnější možnost. Tyto hypotézy se vzájemně nevylučují.

Účinky cistanche a produktů cistanche: zlepšují paměť a schopnost učení

Hypotéza alokace na odkaz

Jak je popsáno výše, zvýšení množství aktivovaného CREB zvyšuje excitabilitu a tím ovlivňuje alokaci neuronů do paměťové stopy. Podle hypotézy allocate-to-link44 tvoří tyto změny vazbu mezi vzpomínkami na události, které se odehrávají v řádu hodin po sobě, a tato vazba má důležitou funkci. Jak je popsáno výše, počáteční záchvat učení vede ke zvýšení množství CREB v neuronech kódujících paměť, které trvá hodiny. Výsledné zvýšení excitability vede k náboru mnoha z těchto neuronů ke kódování nové paměti vytvořené během období zvýšené excitability. Čistým výsledkem je, že dvě paměti zakódované blízko sebe v čase jsou zakódovány překrývajícími se soubory neuronů; tyto dvě paměti jsou tedy propojeny a toto propojení může být základem vyvolání samostatných událostí, ke kterým dojde v průběhu několika hodin (obr. 2a).

Nedávná studie ukázala, že překrývající se hipokampální neuronální soubory skutečně zachycují vzpomínky na kontexty prozkoumané v blízkém čase4. K přímému určení, zda překrývající se buňky kódují tyto dva kontexty, autoři použili miniaturní fluorescenční mikroskop namontovaný na hlavě ke sledování vápníkových přechodů v myších hipokampálních CAl neuronech, když myši zkoumaly různé kontexty. Došlo k většímu překrývání mezi neuronovými soubory aktivovanými těmito kontexty, když byly tyto dva kontexty zkoumány ve stejný den (5 hodin od sebe), na rozdíl od různých dnů (od sebe 7 dní) (obr. 2b). To poskytuje přímou podporu pro myšlenku, že překrývající se neuronální soubory kódují vzpomínky vytvořené blízko v čase. Důsledkem tohoto překrývání neuronů je, že se tyto vzpomínky stávají behaviorálně propojenými; bylo zjištěno, že když jeden z kontextů vyvolal reakci strachu, myši se také začaly obávat souvisejícího kontextu, i když v tomto kontextu nikdy nezažily nic averzního (obr. 2c).

Další podpora pro hypotézu alokace na vazbu byla získána manipulací se specifickou frakcí sdílených neuronů pro dvě paměti. Tyto studie nejprve prokázaly, že sdílený soubor amygdaly kóduje dvě vzpomínky na sluchový strach, které jsou získány blízko v čase (během 6 hodin) a že tyto vzpomínky jsou propojeny. Výzkumníci prokázali specifickou roli takových sdílených neuronových souborů jejich umlčením, což ovlivnilo behaviorální interakci dvou úkolů závislých na amygdale, ale nezasahovalo do získávání jednotlivých úkolů47.

Hypotéza allocate-to-link předpokládá, že zvýšení excitability závislé na CREB zvyšuje pravděpodobnost, že buňka bude excitována během časově blízkého kódování jiných vzpomínek, čímž se vzpomínky propojí posílením jejich synaptické konektivity. Jak bylo uvedeno, zvýšení excitability závislé na CREB není homeostatické. Existuje tedy obava, že toto zvýšení excitability může zvýšit LTP a že zesílené reakce mohou zvýšit pravděpodobnost následného LTP, což může vést k nekontrolované potenciaci. Nicméně synaptická síla je saturovatelná4849 a výsledný limit LTP může odstranit obavy z nekontrolovatelné excitace.

Hypotéza konsolidace sestavy

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. Toto přehrávání je klíčové pro vytvoření stabilní paměti, protože specifické narušení SWR vede k silným paměťovým deficitům53-55. Zdá se pravděpodobné, že zapojení neuronu do SWR by bylo zvýšeno zvýšením excitability (viz také odkaz 3). To nás vede k domněnce, že další funkcí CREB-dependentního zvýšení excitability je posílení konsolidace nezbytné pro stabilní tvorbu paměti.

Mechanismy a selektivita aktivace CREB

Pokud má CREB důležitou roli při alokaci a konsolidaci paměti, její aktivace by měla být z velké části omezena na buňky, které se podílely na učení a je třeba je začlenit do souboru paměti. Akční potenciály nejsou spolehlivým ukazatelem událostí souvisejících s učením, protože mohou vyplývat z aktivity dříve potencovaných synapsí.

Podobně události LTP na synapsi nejsou spolehlivým indikátorem toho, že by buňka měla být součástí nového souboru, protože LTP se může vyskytovat v dendritické větvi bez somatických sodíkových špiček57,58. Vytvoření požáru buňky, a tedy možnost začlenění do souboru, může vyžadovat, aby více větví podstoupilo synaptickou plasticitu. Proto může být žádoucí, aby byl CREB přednostně aktivován, když jsou v dendritu jak události učení, tak dostatečně silná depolarizace, aby způsobila výstřel. Je tedy pozoruhodné, že existuje značná složitost cest, které vedou k aktivaci závislé na CREB (obr. 3): kaskáda kalmodulinkinázy spojuje somatické akční potenciály s aktivací CREB59,60, zatímco difúze ERK z dendritu do soma spojuje synaptickou plasticitu s Aktivace CREB61. Jednou ze zajímavých možností je, že tyto dráhy provádějí biochemický výpočet nezbytný k označení těch buněk, které je třeba začlenit do souboru.

Účinky cistanche a produktů cistanche: zlepšují paměť a schopnost učení

Diskuse

V oblasti učení a paměti chybí ucelený pohled na to, proč a jak paměť závisí jak na synaptických změnách v synaptické síle, tak na globálních změnách neuronální funkce. Nedávné technologické pokroky umožnily bezprecedentní vizualizaci a řízení obvodových procesů, které jsou základem paměti, a výsledná zjištění podporují názor, že dochází ke globálním změnám v excitability a kriticky přispívají k paměti. Tato pozorování zpochybňují standardní modely, které přisuzují paměťovou funkci výhradně synaptickým modifikacím. Představujeme dvě hypotézy o specifické roli CREB-dependentních změn v globální dráždivosti v paměti, které přesahují tradiční pohledy; jeden (allocate-to-link) má nyní přímou podporu, zatímco druhý (model konsolidace souboru) je postaven na experimentálních pozorováních, ale ještě nebyl přímo testován. Navzdory koncepčním rozdílům mezi těmito modely sdílejí široký pohled na celkový proces paměti – pohled, který zahrnuje události během kódování a konsolidace, a tedy přesahuje procesy, které jsou přímo zodpovědné za konečné ukládání paměti. V modelu allocate-to-link dodávají změny excitability závislé na CREB paměťovému systému zcela novou funkcionalitu: schopnost jedné paměti v časovém rámci selektivně se asociovat s jinými pamětmi ve stejném časovém rámci. V modelu konsolidace sestavení je přidanou funkcí vylepšení konsolidace – vylepšení, které je specifické pro buňky paměťové stopy a je nakonec nezbytné pro vytvoření stabilního celku.

Žádný z navrhovaných modelů nepředpokládá, že transkripční změny jsou ve skutečnosti základem samotného ukládání paměti, a proto jsou tyto modely v souladu s přechodnou povahou změn CREB a učení a LTP. To je důležitý bod, protože se často navrhuje, že transkripční přepínání by mohlo umožnit stabilnější dlouhodobé ukládání paměti než synaptické přepínače, které jsou závislé pouze na posttranslačních procesech. Zdůrazňujeme, že data na CREB tento návrh nepodporují; ačkoli se zdá, že transkripce závislá na CREB je nezbytná pro vytvoření stabilních pamětí (zejména v modelu konsolidace souboru), sama o sobě není stabilním mechanismem ukládání informací, a proto nemůže zprostředkovat dlouhodobou paměť. Tato důležitá funkce se může spoléhat na stabilní změny na synapsi (ale viz odkazy, 62, 63) nebo na jiné transkripční změny související s učením, než jsou ty zprostředkované CREB64, 65 (pro potenciální užitečnost předpokládaných dlouhodobých změn excitability viz. odkaz 66).

V souhrnu tvrdíme, že jakýkoli celkový model paměťového systému musí nyní zahrnovat jak trvalé změny na synapsích, tak přechodné změny v globální dráždivosti. Takové duální mechanismy by neměly být považovány za protichůdné. Spíše CREB-dependentní transkripční změny fungují tak, že podporují stabilní synaptické modifikace způsobem, který vytváří užitečné časové vazby.

Účinky cistanche a produktů cistanche: zlepšují paměť a schopnost učení

Reference

1. Hebb, DO. Organizace chování: Neuropsychologická teorie. Wiley; New York: 1949.

2. Bliss TV, Collingridge GL. Synaptický model paměti: dlouhodobá potenciace v hipokampu. Příroda. 1993; 361:31–39. [PubMed: 8421494]

3. Bliss TVP, Collingridge GL. Exprese LTP závislého na NMDA receptoru v hipokampu: přemostění propasti. Mol Brain. 2013; 6:5. [PubMed: 23339575]

4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA receptory, buňky místa a prostorová paměť hipokampu. Nat Rev Neurosci. 2004; 5:361–372. [PubMed: 15100719]

5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Autofosforylace na Thr286 alfa kalcium-kalmodulin kinázy II v LTP a učení. Věda. 1998; 279:870–873. [PubMed: 9452388]

6. Rossetti T, a kol. Experimenty s vymazáním paměti naznačují kritickou roli úložiště CAMKII v paměti. Neuron. 2017; 96:207–216. [PubMed: 28957669]

7. Lee YS, Silva AJ. Molekulární a buněčná biologie posílené kognice. Nat Rev Neurosci. 2009; 10:126–140. [PubMed: 19153576]

8. Nabavi S, a kol. Vytváření paměti pomocí LTD a LTP. Příroda. 2014; 511:348–352. [PubMed: 24896183]

9. Matsuzaki M, Honkura N, Ellis-Davies GCR, Kasai H. Strukturální základy dlouhodobé potenciace v jednotlivých dendritických trnech. Příroda. 2004; 429:761–766. [PubMed: 15190253]

10. Hopfield JJ. Neurony s odstupňovanými odezvami mají společné výpočetní vlastnosti jako ty dvoustavových neuronů. Proč Natl Acad Sci USA. 1984; 81:3088–3092. [PubMed: 6587342]

11. Morris RGM, a kol. Prvky neurobiologické teorie hipokampu: role synaptické plasticity závislé na aktivitě v paměti. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003; 358:773–786. [PubMed: 12744273]

12. Castellucci V, Kandel ER. Presynaptická facilitace jako mechanismus behaviorální senzibilizace u Aplysie. Věda. 1976; 194:1176–1178. [PubMed: 11560]

13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Serotonin a cyklický AMP uzavírají jeden K plus kanály v senzorických neuronech Aplysia. Příroda. 1982; 299:413-417. [PubMed: 6289122]

14. Alkon DL. Změny membránových proudů během učení. J Exp Biol. 1984; 112:95–112. [PubMed: 6150967]

15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Změny membrány neuronů králičího hipokampu specifické pro kondicionování měřené in vitro. Proč Natl Acad Sci USA. 1986; 83:2733–2737. [PubMed:3458232]

Účinky cistanche a produktů cistanche: zlepšují paměť a schopnost učení