Ученые объяснили молекулярный механизм воспоминаний

Американские ученые выяснили, что формирование воспоминаний контролируется хроматином — комплексом нуклеиновых кислот и белков. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

Когда мозг формирует память, детали событий кодируют цепочки нейронов, называемые клетками энграммы. Позже, когда человек что-то вспоминает, эти клетки активируются. Однако молекулярный механизм этого процесса был до сих пор неизвестен.

Нейробиологи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что кодирование воспоминаний в клетках энграммы контролируется масштабной структурной перестройкой белков и ДНК, составляющих хроматин клеток. Это ремоделирование позволяет конкретным генам, участвующим в хранении воспоминаний, становиться более активными.

Ученые выяснили, что в процессе получения нового опыта и в последующие несколько дней меняется структура хроматина. Это заставляет работать клетки, ответственные за формирование памяти.

«Это первая статья, которая действительно раскрывает загадочный процесс активации различных волн генов и эпигенетический механизм, лежащий в основе этих волн экспрессии», — приводятся в пресс-релизе MIT слова руководителя исследования Ли-Хуэй Цая (Li-Huei Tsai), директора Института обучения и памяти Пикауэра.

Клетки энграммы находятся в гиппокампе, а также в других частях мозга. Известно, что эти клетки образуют сети, которые связаны с памятью, и эти сети активируются при конкретных воспоминаниях. Исследователи использовали модифицированных лабораторных мышей, клетки гиппокампа которых пометили желтым флуоресцентным белком.

В конкретном месте камеры животных толкали до тех пор, пока они не запомнили, где безопасно, а где нет. Через пять дней эксперимент повторили, отслеживая, какие молекулярные процессы сопровождают активацию воспоминаний.

Авторы обнаружили, что многие участки ДНК подвергаются модификации хроматина. В этих областях хроматин становится более рыхлым, а ДНК — более доступной. К удивлению исследователей, оказалось, что почти все эти области находятся на участках ДНК, где гены не обнаружены. Эти области содержат некодирующие последовательности, называемые энхансерами, которые взаимодействуют с генами, чтобы помочь им включиться.

Через пять дней, когда произошло закрепление воспоминаний, трехмерная структура хроматина изменилась, приблизив энхансеры к целевым генам, и их экспрессия повысилась. Когда мышей снова помести в камеру, где их опять толкали, реактивируя негативные воспоминания, в клетках энграмма грызунов ученые отметили уже более сильные взаимодействия энхансеров с генами-мишенями.

«Формирование и сохранение памяти — это очень деликатное и скоординированное событие, которое длится часы и дни, а может и месяцы, мы не знаем наверняка, — говорит первый автор статьи Асаф Марко (Asaf Marco). — Во время этого процесса происходит несколько волн экспрессии генов и синтеза белка, которые делают связи между нейронами сильнее и активнее».

Авторы установили, что эти волны контролируются эпигеномными модификациями, которые представляют собой химические изменения хроматина, определяющие доступность конкретных генов.

Исследователи также обнаружили, что при этом дендриты нейронов — разветвленные отростки, которые получают информацию от других нейронов — развивают больше шипов, что дает дополнительные доказательства того, что их связи укрепляются.

На следующем этапе ученые планируют изучить, как хроматин влияет на развитие нейродегенеративных заболеваний, связанных с потерей памяти, в первую очередь — болезни Альцгеймера.