Как связывание двух молекул мозга создает воспоминания, которые сохраняются на всю жизнь

Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine .

Когда Тодду Сэктору должно было исполниться 3 года, его 4-летняя сестра умерла от лейкемии. «Пустая спальня рядом с моей. Качели с двумя сиденьями вместо одного», — сказал он, вспоминая оставшиеся следы ее присутствия в доме. «Был один пропавший человек, о котором никогда не говорили, о котором у меня было только одно воспоминание». Это воспоминание, слабое, но устойчивое, было связано с берлогой на первом этаже их дома. Юный Сэктор попросил свою сестру почитать ему книгу, и она отмахнулась от него: «Иди спроси свою мать». Сэктор угрюмо поплелся вверх по лестнице на кухню.

Примечательно, что спустя более 60 лет Сэктор вообще помнит этот мимолетный момент детства. Удивительная природа памяти заключается в том, что каждое воспоминание — это физический след, запечатленный в мозговой ткани молекулярным механизмом нейронов. То, как кодируется и впоследствии извлекается суть прожитого момента, остается одним из центральных нерешенных вопросов в нейробиологии.

Сэктор стал нейробиологом в поисках ответа. В Государственном университете Нью-Йорка в Бруклине он изучает молекулы, участвующие в поддержании нейронных связей, лежащих в основе памяти. Вопрос, который всегда привлекал его внимание, был впервые сформулирован в 1984 году знаменитым биологом Фрэнсисом Криком: как воспоминания могут сохраняться годами, даже десятилетиями, когда молекулы тела деградируют и заменяются в течение нескольких дней, недель или, самое большее, месяцев?

В 2024 году, работая вместе с командой, в которую входил его давний коллега Андре Фентон , нейробиолог из Нью-Йоркского университета, Сэктор предложил потенциальное объяснение в статье, опубликованной в Science Advances . Исследователи обнаружили, что постоянная связь между двумя белками связана с укреплением синапсов, которые являются связями между нейронами. Считается, что синаптическое укрепление имеет основополагающее значение для формирования памяти. По мере того, как эти белки деградируют, новые занимают их место в связанном молекулярном обмене, который поддерживает целостность связи и, следовательно, память.

Исследователи представляют «весьма убедительные доводы» о том, что «взаимодействие между этими двумя молекулами необходимо для хранения памяти», — сказал Карл Питер Гизе , нейробиолог из Королевского колледжа Лондона, который не принимал участия в работе. Результаты предлагают убедительный ответ на дилемму Крика, примиряя несогласованные временные шкалы, чтобы объяснить, как эфемерные молекулы сохраняют воспоминания, которые длятся всю жизнь.

В начале своей карьеры Сэктор сделал открытие, которое определило всю его оставшуюся жизнь. После обучения у пионера молекулярной памяти Джеймса Шварца в Колумбийском университете он открыл собственную лабораторию в SUNY Downstate, чтобы найти молекулу, которая могла бы помочь объяснить, как сохраняются долгосрочные воспоминания.

Молекула, которую он искал, находилась в синапсах мозга. В 1949 году психолог Дональд Хебб предположил, что многократная активация нейронов усиливает связи между ними, или, как позже выразилась нейробиолог Карла Шатц: «Клетки, которые активируются вместе, связываются вместе». В последующие десятилетия многие исследования предполагали, что чем сильнее связь между нейронами, хранящими воспоминания, тем лучше сохраняются воспоминания.

В начале 1990-х годов в чашке в своей лаборатории Сэктор стимулировал кусочек гиппокампа крысы — небольшой области мозга, связанной с воспоминаниями о событиях и местах, таких как взаимодействие Сэктора с сестрой в логове, — чтобы активировать нейронные пути таким образом, который имитировал кодирование и хранение памяти. Затем он искал любые молекулярные изменения, которые имели место. Каждый раз, когда он повторял эксперимент, он видел повышенные уровни определенного белка в синапсах. «К четвертому разу я подумал: вот оно», — сказал он.

Это была протеинкиназа M zeta, или сокращенно PKMζ. По мере стимуляции ткани гиппокампа крыс синаптические связи усиливались, а уровень PKMζ увеличивался . К тому времени, когда он опубликовал свои выводы в 1993 году, он был убежден, что PKMζ имеет решающее значение для памяти.

В течение следующих двух десятилетий он продолжил работу над созданием корпуса работ, показывающих, что присутствие PKMζ помогает сохранять воспоминания долгое время после их первоначального формирования. Когда Сэктор заблокировал активность молекулы через час после формирования воспоминания, он увидел, что синаптическое усиление обратилось вспять. Это открытие предполагало, что PKMζ был « необходим и достаточен » для сохранения памяти с течением времени, писал он в Nature Neuroscience в 2002 году. Напротив, сотни других локализованных молекул влияли на синаптическое усиление только в том случае, если были нарушены в течение нескольких минут после формирования воспоминания. Это, по-видимому, было единственным молекулярным ключом к долговременной памяти.

Чтобы проверить свою гипотезу на живых животных, он объединился с Фентоном, который в то время работал в SUNY Downstate и имел опыт обучения лабораторных животных и проведения поведенческих экспериментов. В 2006 году дуэт опубликовал свою первую статью, показывающую, что блокирование PKMζ может стереть воспоминания крыс через день или месяц после их формирования. Это предполагало, что постоянная активность PKMζ необходима для поддержания памяти.

Статья произвела фурор. Звездный белок Сэктора и Фентона PKMζ привлек всеобщее внимание, и лаборатории по всему миру обнаружили, что его блокирование может стереть различные типы воспоминаний, включая те, которые связаны со страхом и вкусом. PKMζ казался всеобъемлющим объяснением того, как формируются и поддерживаются воспоминания на молекулярном уровне. Но затем их гипотеза утратила актуальность. Другие исследователи генетически модифицировали мышей, лишив их PKMζ, и в 2013 году два независимых исследования показали, что эти мыши все еще могли формировать воспоминания. Это поставило под сомнение роль белка и остановило большую часть текущих исследований.

Сэктора и Фентона это не смутило. «Мы знали, что нам нужно это выяснить», — сказал Сэктор. В 2016 году они опубликовали опровержение , продемонстрировав, что при отсутствии PKMζ мыши задействуют резервный механизм, включающий другую молекулу, для укрепления синапсов.

Существование компенсаторной молекулы не стало сюрпризом. «Биологическая система не такова, что вы теряете одну молекулу, и все исчезает. Это очень редко», — сказал Гизе. Но идентификация этой компенсаторной молекулы вызвала новый вопрос: как она узнала, куда идти, чтобы заменить PKMζ? Сэктору и Фентону потребовалось еще почти десятилетие, чтобы это выяснить.

Классический тест на важность молекулы — заблокировать ее и посмотреть, что сломается. Решив раз и навсегда определить роль PKMζ, Сэктор и Фентон решили разработать способ ее более точного нарушения, чем когда-либо прежде. Они разработали новую молекулу для ингибирования активности PKMζ. Она «работала прекрасно», сказал Сэктор. Но было неясно, как.

Однажды в 2020 году Маттео Бернабо, аспирант из сотрудничающей лаборатории в Университете Макгилла, представлял результаты, связанные с ингибитором PKMζ, когда из аудитории возникла подсказка. «Я предположил, что он работает, блокируя взаимодействие PKMζ с KIBRA», — вспоминает Уэйн Соссин , нейробиолог из Университета Макгилла.

KIBRA — это белок-строитель. Как якорь, он удерживает другие белки на месте внутри синапса. В мозге он в изобилии присутствует в областях, связанных с обучением и памятью. «Это не тот белок, над которым работают многие люди», — сказал Соссин, но есть существенные «независимые доказательства того, что KIBRA как-то связан с памятью» — и даже что он связан с PKMζ . Большинство исследований были сосредоточены на роли KIBRA в развитии рака. «В нервной системе, — сказал он, — нас [изучают ее] всего трое или четверо». К ним присоединились Сэктор и Фентон.

Чтобы выяснить, работают ли KIBRA и PKMζ вместе в ответ на синаптическую активность, исследователи использовали технику, которая заставляет взаимодействующие белки светиться. Когда они прикладывали электрические импульсы к срезам гиппокампа, появлялись светящиеся точки доказательств: после всплесков синаптической активности, которые вызывали долгосрочное синаптическое усиление, образовывалось множество комплексов KIBRA-PKMζ, и они были устойчивыми.

Затем команда проверила связь во время формирования реальной памяти, дав мышам препарат, который нарушал формирование этих комплексов. Они увидели, что синаптическая сила и память о задачах у мышей были утеряны, и что после того, как действие препарата прекратилось, стертая память не вернулась, но мыши смогли снова приобрести и запомнить новые воспоминания.

Но нужны ли комплексы KIBRA-PKMζ для поддержания памяти в долгосрочной перспективе? Чтобы выяснить это, исследователи разрушили комплекс через четыре недели после формирования памяти. Это действительно стерло память. Это говорит о том, что взаимодействие между KIBRA и PKMζ имеет решающее значение не только для формирования воспоминаний, но и для сохранения их нетронутыми с течением времени.

«Память поддерживается устойчивой связью между двумя белками, а не белком, который существует сам по себе на протяжении всей жизни памяти», — сказал Панайотис Цокас, нейробиолог, работающий с Сэктором, и ведущий автор новой статьи в журнале Science Advances .

Белки KIBRA и PKMζ стабилизируют друг друга, образуя связь. Таким образом, когда белок деградирует и его необходимо заменить, другой остается на месте. Сама связь и ее расположение в определенных синапсах, которые были активированы во время обучения, сохраняются, позволяя новому партнеру вклиниться, увековечивая альянс с течением времени. По отдельности PKMζ и KIBRA не существуют всю жизнь, но, связываясь друг с другом, они помогают гарантировать, что ваши воспоминания могут.

Открытие решает головоломку, впервые выявленную Криком, а именно, как сохраняются воспоминания, несмотря на относительно короткую продолжительность жизни всех биологических молекул. «Должен был быть очень, очень интересный ответ, элегантный ответ на то, как это могло произойти», — сказал Фентон. «И этот элегантный ответ — история взаимодействия KIBRA-PKMζ».

Эта работа также отвечает на вопрос, который исследователи отложили на полку. Более раннее исследование Сэктора показало, что повышение уровня PKMζ укрепляет синапсы и воспоминания. Но как молекула узнает, куда идти внутри нейрона? «Мы подумали, что однажды, возможно, мы поймем это», — сказал Сэктор. Теперь исследователи считают, что KIBRA действует как синаптическая метка, которая направляет PKMζ. Если это правда, это поможет объяснить, как укрепляются только определенные синапсы, вовлеченные в конкретный след физической памяти, когда нейрон может иметь тысячи синапсов, которые соединяют его с различными другими клетками.

«Эти эксперименты очень хорошо показывают, что KIBRA необходим для поддержания активности PKMζ в синапсе», — сказал Дэвид Гланцман , нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. Однако он предупредил, что это не обязательно означает поддержание памяти, поскольку синаптическое усиление — не единственная модель того, как работает память.

Прошлые исследования Гланцмана на морских слизняках поначалу, казалось, показывали, что разрушение молекулы, аналогичной PKMζ, стирает память. «Изначально я сказал, что она стирается», — сказал Гланцман, «но более поздние эксперименты показали, что мы можем вернуть память». Эти результаты побудили его пересмотреть вопрос о том, действительно ли память хранится как изменения в силе синаптических связей. Гланцман, который работал в течение 40 лет в рамках синаптической модели, является недавним сторонником альтернативной точки зрения, называемой моделью молекулярного кодирования, которая утверждает, что молекулы внутри нейрона хранят воспоминания.

Хотя он не сомневается, что синаптическое усиление следует за формированием памяти, и что PKMζ играет важную роль в этом процессе, он остается неуверенным, сохраняет ли молекула также и саму память. Тем не менее, Гланцман подчеркнул, что это исследование решает некоторые проблемы синаптической модели, такие как молекулярный оборот и нацеливание на синапсы, «предоставляя доказательства того, что KIBRA и PKMζ образуют комплекс, который является специфичным для синапса и сохраняется дольше, чем любая отдельная молекула».

Хотя Сэктор и Фентон считают, что эта пара белков имеет основополагающее значение для памяти, они знают, что могут быть и другие факторы, которые еще предстоит открыть и которые помогают памяти сохраняться. Так же, как PKMζ привел их к KIBRA, этот комплекс может привести их еще дальше.

Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine , редакционно независимого издания Фонда Саймонса , чья миссия заключается в расширении понимания науки общественностью путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и биологических наук.