Ученые выяснили, как молекулы могут «помнить» и способствовать памяти и обучению

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили, что ионный канал в нейронах мозга имеет своего рода «молекулярную память», которая способствует формированию и сохранению воспоминаний на всю жизнь. Исследователи определили определенную часть ионного канала, на которую могут быть нацелены новые препараты для определенных генетических заболеваний. Исследование, проведенное в Университете Линчёпинга в Швеции, было опубликовано в Nature Communications.

Одной из суперспособностей мозга является его способность учиться на прошлом опыте и формировать воспоминания. Эти жизненно важные процессы зависят от перестройки связей между нейронами в мозге. Нервные соединения, называемые синапсами, укрепляются или ослабевают на протяжении жизни таким образом, что мозг, в определенном смысле, постоянно перестраивается на клеточном уровне. Это явление называется синаптической пластичностью.

Существует несколько процессов, способствующих синаптической пластичности в нервной системе. Один из этих процессов связан с типом молекул, называемых кальциевыми ионными каналами, которые давно интересуют исследователей из Университета Линчёпинга.

«Я хочу раскрыть тайную жизнь этих молекул ионных каналов. Каналы ионов кальция выполняют очень важные функции в организме — открываясь и закрываясь, они регулируют, среди прочего, передачу сигналов от нерва к нерву. Но помимо этого, эти молекулы также обладают своего рода собственной памятью и могут помнить предыдущие нервные сигналы», — говорит руководитель исследования Антониос Пантазис.

В центре внимания данного исследования был определенный тип ионного канала, канал CaV2.1, который является наиболее распространенным кальциевым ионным каналом в мозге. Ионный канал расположен в синапсе, в самом конце нейрона. Когда электрический сигнал проходит через нейрон, ионный канал открывается, запуская процесс, приводящий к высвобождению нейромедиатора в принимающий нейрон в синапсе. Таким образом, каналы CaV2.1 являются привратниками синаптической, нейрон-нейронной коммуникации.

Длительная электрическая активность уменьшает количество каналов CaV2.1, которые могут открываться, что приводит к меньшему высвобождению трансмиттера, поэтому принимающий нейрон получает более слабое сообщение. Это как если бы каналы могли «запоминать» предыдущие сигналы и, делая это, делать себя недоступными для открытия последующими сигналами. Как это работает на молекулярном уровне, ученым до сих пор было неизвестно.

Исследователи из Линчёпинга теперь открыли механизм, с помощью которого ионный канал может «помнить». Канал представляет собой большую молекулу, состоящую из нескольких взаимосвязанных частей, которые могут двигаться относительно друг друга в ответ на электрические сигналы. Они обнаружили, что ионный канал может принимать почти 200 различных форм в зависимости от силы и продолжительности электрического сигнала; это очень сложная молекулярная машина.

«Мы считаем, что во время длительной электрической нервной сигнализации важная часть молекулы отсоединяется от ворот канала, подобно тому, как сцепление в автомобиле разрывает связь между двигателем и колесами. Ионный канал больше не может быть открыт. Когда сотни сигналов происходят в течение достаточно длительного времени, они могут перевести большинство каналов в это «состояние расцепленной памяти» на несколько секунд», — говорит Антониос Пантазис.

Если ионный канал может «помнить» всего несколько секунд, как он способствует обучению на протяжении всей жизни? Этот тип коллективной памяти в ионных каналах может накапливаться с течением времени и снижать связь между двумя нейронами. Это затем приводит к изменениям в принимающем нейроне, длящимся часами или днями. В конечном итоге это приводит к гораздо более долгосрочным изменениям в мозге, таким как устранение ослабленных синапсов.

«Таким образом, «память», которая сохраняется в течение нескольких секунд в одной молекуле, может внести небольшой вклад в память человека, которая сохранится на всю жизнь», — говорит Антониос Пантазис.

Расширение знаний о том, как работают эти кальциевые ионные каналы, может в долгосрочной перспективе способствовать лечению некоторых заболеваний. Существует много вариантов гена, который производит канал CaV2.1, CACNA1A, которые связаны с редкими, но серьезными неврологическими заболеваниями, которые часто передаются по наследству. Чтобы разработать лекарства против них, полезно знать, на какую часть большого ионного канала вы хотите повлиять и каким образом следует изменить его активность.

«Наша работа позволяет определить, на какую часть белка следует воздействовать при разработке новых лекарств», — резюмировал Антониос Пантазис.