Jak wiązanie dwóch cząsteczek mózgu tworzy wspomnienia, które trwają całe życie

Oryginalna wersja tej historii ukazała się w magazynie Quanta .

Kiedy Todd Sacktor miał skończyć 3 lata, jego 4-letnia siostra zmarła na białaczkę. „Pusta sypialnia obok mojej. Huśtawka z dwoma siedziskami zamiast jednego” — powiedział, przypominając sobie ślady jej obecności w domu. „Była tam ta zaginiona osoba — o której nigdy nie wspominano — z powodu której miałem tylko jedno wspomnienie”. To wspomnienie, słabe, ale trwałe, zostało zapisane w gabinecie na parterze ich domu. Młody Sacktor poprosił siostrę, żeby przeczytała mu książkę, a ona go zbyła: „Idź i zapytaj mamę”. Sacktor ponuro wspiął się po schodach do kuchni.

Niesamowite, że po ponad 60 latach Sacktor w ogóle pamięta tę ulotną chwilę z dzieciństwa. Zadziwiająca natura pamięci polega na tym, że każde wspomnienie jest fizycznym śladem, odciśniętym w tkance mózgowej przez molekularny mechanizm neuronów. To, w jaki sposób istota przeżytego momentu jest kodowana i później odzyskiwana, pozostaje jednym z centralnych, nierozwiązanych pytań w neuronauce.

Sacktor został neurobiologiem w poszukiwaniu odpowiedzi. Na Uniwersytecie Stanowym Nowego Jorku Downstate w Brooklynie bada cząsteczki zaangażowane w podtrzymywanie połączeń neuronalnych leżących u podstaw pamięci. Pytanie, które zawsze przykuwało jego uwagę, zostało po raz pierwszy sformułowane w 1984 roku przez słynnego biologa Francisa Cricka: w jaki sposób wspomnienia mogą trwać latami, a nawet dekadami, skoro cząsteczki ciała ulegają degradacji i są zastępowane w ciągu kilku dni, tygodni lub co najwyżej miesięcy?

W 2024 roku, pracując z zespołem, w którym był jego wieloletni współpracownik André Fenton , neurobiolog z New York University, Sacktor zaproponował potencjalne wyjaśnienie w artykule opublikowanym w Science Advances . Naukowcy odkryli, że trwałe wiązanie między dwoma białkami jest związane ze wzmocnieniem synaps, czyli połączeń między neuronami. Uważa się, że wzmocnienie synaptyczne jest fundamentalne dla kształtowania się pamięci. W miarę degradacji tych białek nowe zajmują ich miejsce w połączonej wymianie molekularnej, która utrzymuje integralność wiązania, a zatem pamięć.

Naukowcy przedstawiają „bardzo przekonujący przypadek”, że „interakcja między tymi dwiema cząsteczkami jest potrzebna do przechowywania pamięci”, powiedział Karl Peter Giese , neurobiolog z King's College London, który nie był zaangażowany w pracę. Odkrycia oferują przekonującą odpowiedź na dylemat Cricka, godząc niezgodne skale czasowe, aby wyjaśnić, w jaki sposób ulotne cząsteczki utrzymują wspomnienia, które trwają całe życie.

Na początku swojej kariery Sacktor dokonał odkrycia, które ukształtowało resztę jego życia. Po studiach pod okiem pioniera pamięci molekularnej Jamesa Schwartza na Uniwersytecie Columbia otworzył własne laboratorium w SUNY Downstate, aby szukać cząsteczki, która mogłaby pomóc wyjaśnić, w jaki sposób pamięć długoterminowa utrzymuje się.

Szukana przez niego cząsteczka znajdowałaby się w synapsach mózgu. W 1949 roku psycholog Donald Hebb zaproponował, że wielokrotna aktywacja neuronów wzmacnia połączenia między nimi lub, jak później ujęła to neurobiolog Carla Shatz: „Komórki, które aktywują się razem, łączą się ze sobą”. W kolejnych dekadach wiele badań sugerowało, że im silniejsze połączenie między neuronami przechowującymi wspomnienia, tym lepiej wspomnienia te trwają.

Na początku lat 90. w naczyniu w swoim laboratorium Sacktor stymulował wycinek hipokampa szczura — małego obszaru mózgu powiązanego ze wspomnieniami wydarzeń i miejsc, takimi jak interakcja Sacktora z siostrą w jaskini — aby aktywować ścieżki neuronowe w sposób imitujący kodowanie i przechowywanie pamięci. Następnie szukał wszelkich zmian molekularnych, które miały miejsce. Za każdym razem, gdy powtarzał eksperyment, widział podwyższone poziomy pewnego białka w synapsach. „Za czwartym razem pomyślałem sobie, to jest to” — powiedział.

To była kinaza białkowa M zeta, w skrócie PKMζ. Gdy tkanka hipokampa szczurów była stymulowana, połączenia synaptyczne wzmacniały się, a poziom PKMζ wzrastał . Kiedy opublikował swoje odkrycia w 1993 r., był przekonany, że PKMζ jest kluczowa dla pamięci.

Przez następne dwie dekady tworzył on prace pokazujące, że obecność PKMζ pomaga utrzymać wspomnienia długo po ich początkowym uformowaniu. Kiedy Sacktor zablokował aktywność cząsteczki godzinę po uformowaniu się wspomnienia, zauważył, że wzmocnienie synaptyczne zostało odwrócone. To odkrycie sugerowało, że PKMζ było „ konieczne i wystarczające ” do zachowania wspomnienia w czasie, napisał w Nature Neuroscience w 2002 roku. Z kolei setki innych zlokalizowanych cząsteczek wpływały na wzmocnienie synaptyczne tylko wtedy, gdy zostały zakłócone w ciągu kilku minut od uformowania się wspomnienia. Wydawało się, że jest to pojedynczy klucz molekularny do pamięci długoterminowej.

Aby przetestować swoją hipotezę na żywych zwierzętach, połączył siły z Fentonem, który wówczas pracował w SUNY Downstate i miał doświadczenie w szkoleniu zwierząt laboratoryjnych i przeprowadzaniu eksperymentów behawioralnych. W 2006 r. duet opublikował swój pierwszy artykuł, w którym wykazał, że blokowanie PKMζ może wymazać wspomnienia szczurów dzień lub miesiąc po ich powstaniu. Sugerowało to, że stała aktywność PKMζ jest wymagana do utrzymania pamięci.

Artykuł był bombą. Gwiazdorskie białko Sacktora i Fentona, PKMζ, zyskało powszechną uwagę, a laboratoria na całym świecie odkryły, że jego blokowanie może wymazywać różne rodzaje wspomnień, w tym te związane ze strachem i smakiem. PKMζ wydawało się rozległym wyjaśnieniem tego, jak wspomnienia powstają i są utrzymywane na poziomie molekularnym. Ale potem ich hipoteza straciła impet. Inni badacze genetycznie zmodyfikowali myszy, aby nie miały PKMζ, a w 2013 r. dwa niezależne badania wykazały, że te myszy nadal mogą tworzyć wspomnienia. Rzuciło to cień na rolę białka i zatrzymało większość trwających badań.

Sacktor i Fenton nie dali się zniechęcić. „Wiedzieliśmy, że musimy to rozgryźć” – powiedział Sacktor. W 2016 r. opublikowali replikę , wykazując, że w przypadku braku PKMζ myszy rekrutują mechanizm zapasowy, angażujący inną cząsteczkę, aby wzmocnić synapsy.

Istnienie cząsteczki kompensacyjnej nie było zaskoczeniem. „System biologiczny nie jest taki, że tracisz jedną cząsteczkę i wszystko ginie. To bardzo rzadkie” — powiedział Giese. Ale zidentyfikowanie tej cząsteczki kompensacyjnej wywołało nowe pytanie: Skąd wiedziała, gdzie pójść, aby zastąpić PKMζ? Sacktor i Fenton potrzebowali prawie kolejnej dekady, aby się tego dowiedzieć.

Klasycznym testem ważności cząsteczki jest jej zablokowanie i sprawdzenie, co się zepsuje. Zdeterminowani, by raz na zawsze ustalić rolę PKMζ, Sacktor i Fenton postanowili zaprojektować sposób na jej dokładniejsze niż kiedykolwiek zakłócenie. Opracowali nową cząsteczkę, która miała hamować aktywność PKMζ. „Działała pięknie”, powiedział Sacktor. Ale nie było jasne, jak.

Pewnego dnia w 2020 r. Matteo Bernabo, student studiów podyplomowych z laboratorium współpracującego na Uniwersytecie McGill, przedstawiał ustalenia dotyczące inhibitora PKMζ, gdy z widowni wyłonił się pewien trop. „Zasugerowałem, że działa on poprzez blokowanie interakcji PKMζ z KIBRA” — wspomina Wayne Sossin , neurobiolog z McGill.

KIBRA to białko rusztowania. Podobnie jak kotwica, utrzymuje inne białka na miejscu wewnątrz synapsy. W mózgu występuje obficie w regionach związanych z uczeniem się i pamięcią. „To nie jest białko, nad którym pracuje wiele osób”, powiedział Sossin, ale istnieje wiele „niezależnych dowodów na to, że KIBRA ma coś wspólnego z pamięcią” — a nawet że jest powiązane z PKMζ . Większość badań skupia się na roli KIBRA w raku. „W układzie nerwowym”, powiedział, „jest nas tylko trzech lub czterech [badających je]”. Dołączyli do nich Sacktor i Fenton.

Aby dowiedzieć się, czy KIBRA i PKMζ współpracują w odpowiedzi na aktywność synaptyczną, naukowcy zastosowali technikę, która sprawia, że ​​oddziałujące białka świecą. Kiedy zastosowali impulsy elektryczne do plasterków hipokampa, pojawiły się świecące punkty dowodów: po seriach aktywności synaptycznej, które wytworzyły długotrwałe wzmocnienie synaptyczne, utworzyło się wiele kompleksów KIBRA-PKMζ, które były trwałe.

Następnie zespół przetestował wiązanie podczas rzeczywistego tworzenia pamięci, podając myszom lek, który miał zakłócić tworzenie tych kompleksów. Zauważyli, że siła synaptyczna myszy i pamięć zadań zostały utracone — i że gdy lek przestał działać, wymazana pamięć nie powróciła, ale myszy mogły ponownie nabywać i zapamiętywać nowe wspomnienia.

Ale czy kompleksy KIBRA-PKMζ są potrzebne do utrzymania pamięci w długim okresie? Aby się o tym przekonać, naukowcy rozbili kompleks cztery tygodnie po uformowaniu się pamięci. W ten sposób pamięć została rzeczywiście wymazana. Sugeruje to, że interakcja między KIBRA i PKMζ jest kluczowa nie tylko dla tworzenia wspomnień, ale także dla utrzymania ich w nienaruszonym stanie w czasie.

„To trwałe powiązanie między dwoma białkami podtrzymuje pamięć, a nie białko, które trwa przez cały czas trwania pamięci” – powiedział Panayiotis Tsokas, neurobiolog współpracujący z Sacktorem i główny autor nowego artykułu w Science Advances .

Białka KIBRA i PKMζ stabilizują się wzajemnie, tworząc wiązanie. W ten sposób, gdy białko ulega degradacji i musi zostać zastąpione, drugie pozostaje na swoim miejscu. Samo wiązanie i jego położenie w określonych synapsach, które zostały aktywowane podczas nauki, są zachowywane, co pozwala nowemu partnerowi wpasować się w nie, utrwalając sojusz w czasie. Indywidualnie PKMζ i KIBRA nie trwają całe życie — ale wiążąc się ze sobą, pomagają zapewnić, że Twoje wspomnienia mogą trwać.

Odkrycie rozwiązuje zagadkę zidentyfikowaną po raz pierwszy przez Cricka, a mianowicie, w jaki sposób wspomnienia utrzymują się pomimo stosunkowo krótkiego czasu życia wszystkich cząsteczek biologicznych. „Musiała istnieć bardzo, bardzo interesująca odpowiedź, elegancka odpowiedź na pytanie, jak to się mogło stać” — powiedział Fenton. „A tą elegancką odpowiedzią jest historia interakcji KIBRA-PKMζ”.

Ta praca odpowiada również na pytanie, które naukowcy odłożyli na półkę. Wcześniejsze badanie Sacktora wykazało, że wzrastające poziomy PKMζ wzmacniały synapsy i wspomnienia. Ale skąd cząsteczka wiedziała, gdzie ma się udać w obrębie neuronu? „Pomyśleliśmy, cóż, pewnego dnia, może to zrozumiemy” — powiedział Sacktor. Teraz naukowcy uważają, że KIBRA działa jak znacznik synaptyczny, który kieruje PKMζ. Jeśli to prawda, pomogłoby to wyjaśnić, w jaki sposób wzmacniane są tylko określone synapsy zaangażowane w konkretny ślad pamięci fizycznej, podczas gdy neuron może mieć tysiące synaps, które łączą go z różnymi innymi komórkami.

„Te eksperymenty bardzo dobrze pokazują, że KIBRA jest niezbędna do utrzymania aktywności PKMζ w synapsie” — powiedział David Glanzman , neurobiolog z University of California w Los Angeles, który nie brał udziału w badaniu. Ostrzegł jednak, że niekoniecznie przekłada się to na utrzymanie pamięci, ponieważ wzmocnienie synaptyczne nie jest jedynym modelem działania pamięci.

Wcześniejsze badania Glanzmana nad ślimakami morskimi początkowo zdawały się wskazywać, że zakłócenie cząsteczki analogicznej do PKMζ wymazuje pamięć. „Pierwotnie powiedziałem, że została wymazana” — powiedział Glanzman — „ale późniejsze eksperymenty wykazały, że możemy przywrócić pamięć”. Te odkrycia skłoniły go do ponownego rozważenia, czy pamięć jest rzeczywiście przechowywana jako zmiany w sile połączeń synaptycznych. Glanzman, który pracował przez 40 lat w ramach modelu synaptycznego, jest niedawnym zwolennikiem alternatywnego poglądu zwanego modelem kodowania molekularnego, który zakłada, że ​​cząsteczki wewnątrz neuronu przechowują wspomnienia.

Chociaż nie ma wątpliwości, że wzmocnienie synaptyczne następuje po utworzeniu pamięci i że PKMζ odgrywa ważną rolę w tym procesie, nie jest pewien, czy cząsteczka przechowuje również samą pamięć. Mimo to Glanzman podkreślił, że badanie to zajmuje się niektórymi wyzwaniami modelu synaptycznego, takimi jak obrót molekularny i ukierunkowanie synaps, poprzez „dostarczanie dowodów na to, że KIBRA i PKMζ tworzą kompleks, który jest specyficzny dla synaps i utrzymuje się dłużej niż każda z poszczególnych cząsteczek”.

Chociaż Sacktor i Fenton uważają, że ta para białek jest fundamentalna dla pamięci, wiedzą, że mogą istnieć inne, jeszcze nieodkryte czynniki, które pomagają w utrzymywaniu się wspomnień. Tak jak PKMζ doprowadziło ich do KIBRA, kompleks ten może doprowadzić ich jeszcze dalej.

Oryginalny artykuł przedrukowano za zgodą Quanta Magazine , redakcyjnie niezależnej publikacji Fundacji Simonsa , której misją jest pogłębianie wiedzy naukowej wśród społeczeństwa poprzez relacjonowanie osiągnięć badawczych i trendów w matematyce, fizyce i naukach biologicznych.