Formarea memoriei depinde atât de modificările specifice sinapsei ale forței sinaptice, cât și de creșterile specifice celulei ale excitabilității

Contact: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Abstract

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 sinapsele modificabile independent, potențialul de stocare a informațiilor prin modificarea sinaptică este enorm. Cu toate acestea, lucrări recente sugerează că schimbările globale mediate de CREB în excitabilitatea neuronală joacă, de asemenea, un rol critic în formarea memoriei. Deoarece aceste schimbări globale au o capacitate modestă de stocare a informațiilor în comparație cu cea a plasticității sinaptice, importanța lor pentru funcția de memorie a fost neclară. Aici trecem în revistă noile dovezi care apar pentru controlul excitabilității dependent de CREB și discutăm două mecanisme posibile. În primul rând, modificarea tranzitorie dependentă de CREB a excitabilității neuronale îndeplinește o funcție de alocare a memoriei, asigurând că memoria este stocată în moduri care facilitează legarea eficientă a evenimentelor cu proximitatea temporală (ore). În al doilea rând, aceste modificări pot promova formarea ansamblului celular în timpul fazei de consolidare a memoriei. Nu a fost clar dacă astfel de modificări globale de excitabilitate și mecanismele sinaptice locale sunt complementare. Aici susținem că cele două mecanisme pot lucra împreună pentru a promova funcția de memorie utilă.

Elucidarea mecanismelor moleculare, celulare și de rețea care stau la baza învățării și memoriei a fost un obiectiv major al neuroștiinței moderne. Într-o contribuție timpurie importantă, Donald Hebb a propus că asociațiile care constituie o memorie sunt stocate prin intermediul modificărilor dependente de activitate ale puterii sinapselor!. Multe lucrări ulterioare au arătat că sinapsele suferă de fapt o întărire dependentă de activitate, așa cum a fost preconizat de Hebb, și fac acest lucru prin LTP (și prin procesul complementar de depresie pe termen lung (LTD))3. În forma canonică a LTP găsită la sinapsele hipocampale CAI, inducerea LTP depinde de un anumit tip de receptor de glutamat, NMDAR, și de o cascadă biochimică inițiată și susținută de proteina sinaptică abundentă calciu/calmodulin-dependent protein kinaza II(CaMKII)3 . Este important că modificările genetice care interferează cu funcția NMDAR sau CaMKII nu numai că blochează LTP, ci produc și deficite profunde în învățare și stocare a memoriei. În schimb, aproape toate mutațiile care îmbunătățesc memoria îmbunătățesc și LTP. Alte lucrări au arătat că LTP, odată indus în timpul învățării7, poate fi modificat bidirecțional prin stimularea LTD/LTP, conducând astfel atât la reducerea, cât și la reapariția comportamentului ghidat de memorie8. Neuronii piramidali hipocampali au mai mult de 10,000 sinapse și, deoarece fiecare sinapsă poate fi modificată independent de LTP (adică, LTP este specific sinapselor), chiar și un singur neuron are o capacitate impresionantă de stocare a informațiilor. Mai mult, analiza computațională arată că modificarea puterii sinaptice prin LTP este suficientă pentru a produce stocare de memorie distribuită în rețelele neuronale10 Luate împreună, aceste constatări au condus la o viziune larg răspândită că LTP mediază stocarea memoriei.

Există, totuși, dovezi acumulate că modificările specifice sinapselor nu sunt singurul tip de modificare neuronală necesară pentru funcțiile memoriei. În special, modificarea proprietăților neuronale globale are, de asemenea, un rol important în învățare și memorie. Dovezile pentru astfel de schimbări au fost obținute inițial în preparatele de nevertebrate utilizate pentru a studia facilitarea presinaptică2 care stă la baza sensibilizării comportamentale pe termen scurt. Această facilitare implică o creștere a excitabilității presinaptice cauzată de o reducere a K plus conductancel3. Alte lucrări au arătat că condiționarea lui Hermissendal a crescut excitabilitatea neuronă prin reducerea conductanței K*. Investigarea modificărilor legate de învățare în excitabilitatea a fost apoi extinsă la vertebrate5 și este acum susținută de mai multe linii de dovezi16-19. În această perspectivă, descriem aceste dovezi, precum și rolul critic al factorului de transcripție CREB (proteina de legare a elementelor care răspunde la cAMP) în acest proces. Apoi abordăm întrebarea de ce neuronii de vertebrate care pot stoca cantități mari de informații prin modificarea numeroaselor lor sinapse modifică și proprietățile celulare globale prin reglarea transcripțională. Descriem două idei despre modul în care modificările sinaptice și transcripționale aduc diferite contribuții necesare pentru procesul general de formare a memoriei.

Efectele produselor cistanche și cistanche: îmbunătățirea memoriei și a capacității de învățare

Rolul factorului de transcripție CREB în memorie

Lucrările timpurii la nevertebrate au subliniat importanța reglării transcripționale în memorie20. Acest lucru a condus la un interes pentru CREB, deoarece suferă o activare dependentă de fosforilare, care persistă ore întregi în hipocampul vertebratelor după inducerea LTP² și învățarea2. Importanța CREB pentru memorie a fost acum demonstrată prin manipularea bidirecțională a funcției CREB2324. Cercetătorii au folosit o varietate de metode pentru a modula negativ CREB, inclusiv distrugerea CREB (în special izoformele a/6), perturbarea CREB mediată de oligodeoxinucleotide antisens, interferența ARN și mutația genetică țintită23,25-27. Aceste manipulări duc invariabil la deficite de memorie. În schimb, creșterea nivelurilor de CREB activ duce la îmbunătățirea memoriei2²8,29.

Al doilea val de progres în înțelegerea funcției CREB a apărut din instrumentele nou dezvoltate care au permis vizualizarea și manipularea directă a celulelor care mediază stocarea memoriei („celule urmelor de memorie). Una dintre metodele rezultate profită de faptul că celulele care suferă o activitate puternică, așa cum se întâmplă în timpul formării memoriei, sintetizează niveluri ridicate ale unei clase de proteine ​​de reglare denumite gene timpurii imediate (IEG; de exemplu, cFos și arc). Se știe de multă vreme că aceste proteine ​​sunt exprimate în celulele activate în timpul învățării, iar expresia lor poate fi utilizată pentru a identifica celulele urmelor de memorie30. Experimentele au arătat că creșterea nivelurilor de CREB într-un subset de celule a crescut probabilitatea ca acele celule să fie încorporate în urme de memorie, în timp ce scăderea nivelurilor de CREB a avut efectul opus31,32. La animalele antrenate, celulele care supraexprimă CREB au o expresie IEG mai mare decât celulele învecinate. Important, creșterile dependente de CREB ale expresiei IEG nu apar la șoarecii neantrenați!. Aceste rezultate demonstrează că nivelurile relative de CREB pot afecta neuronii care sunt încorporați într-o urmă de memorie, un fenomen numit alocare de memorie. Studiile ulterioare au arătat că inhibarea ß și, astfel, au demonstrat că celulele care supraexprimă CREB afectează negativ amintirea memoriei3133-35 necesitatea acestor celule pentru recuperarea memoriei.

Dovada că CREB modulează excitabilitatea celulelor

Prin ce mecanism ar putea CREB controla alocarea memoriei? Deoarece LTP depinde de nivelul de depolarizare în neuronii post-sinaptici, CREB ar putea funcționa prin îmbunătățirea excitabilității neuronale și, prin urmare, creșterea încorporării neuronilor în urma memoriei. Această posibilitate a fost acum testată în mai multe moduri. Într-un set de experimente, înregistrările intracelulare au fost obținute din celule care au supraexprimat CREB. După cum se arată în Fig, 1, aceeași mărime a pulsului curent a produs mai multe potențiale de acțiune în celulele care supraexprima CREB decât în ​​neuronii din apropiere care nu supraexprimau CREB (vezi și refs. 32,43637. Supraexpresia CREB a dus, de asemenea, la o mai mică după -hiperpolarizare(AHP)după un tren de potențiale de acțiune.Deoarece astfel de AHP sunt generate de canalele Kt38, se pare că excitabilitatea îmbunătățită a celulelor care exprimă CREB se datorează cel puțin parțial scăderii conductanței Kt. Pot exista și modificări ale excitabilității care depind de modificările în traducere39, dar acestea sunt în afara domeniului de aplicare al acestei revizuiri deoarece nu implică CREB.

Un alt tip de experiment a fost folosit pentru a testa direct dacă manipularea excitabilității celulei este suficientă pentru a afecta încorporarea unei celule în urma memoriei. În aceste studii, vectorii virali au fost utilizați pentru a îmbunătăți excitabilitatea prin reducerea funcției canalului K plus (adică prin expresia formelor dominant-negative a două canale Kt implicate în AHP: KCNQ2 și KCNQ32). Celulele care exprimă canale mutante au fost într-adevăr alocate în mod preferențial urmei de memorie, așa cum este indicat de nivelurile crescute ale arcului proteinei IEG față de cele din neuronii neinfectați vecini. Canalul Kt Printre celulele Kir2.1, probabilitatea ca celulele să fie active a fost redusă de aproximativ cinci ori în comparație cu celulele care nu au exprimat proteina, iar acest lucru a condus la scăderea încorporării în urma memoriei. Experimente ulterioare au demonstrat importanța modificărilor de excitabilitate la nivel comportamental: atunci când o opsina cu funcție de treaptă a fost folosită pentru a crește excitabilitatea unui subset de neuroni amigdalei chiar înainte de condiționarea tonului, experimentele comportamentale ulterioare au arătat că acești neuroni au fost alocați pentru a stoca șocul de ton. ca SOCiation40.

Luate împreună, aceste rezultate demonstrează că o funcție majoră a CREB este de a îmbunătăți excitabilitatea neuronelor. Această îmbunătățire a excitabilității prin activitate neuronală puternică este în contrast cu modificările conductanțelor intrinseci și sinaptice care sunt homeostatice, adică în cazul în care activitatea neuronală puternică duce la o excitabilitate redusă45. Acest lucru ridică întrebarea ce funcție ar putea avea creșterea excitabilității de către CREB. În modelele de rețele neuronale, îmbunătățirea transmisiei prin LTP este suficientă pentru a produce funcția de memorie, deci ce adaugă îmbunătățirea excitabilității dependentă de CREB? O posibilitate este alocarea, dar care este utilitatea alocării? Aceste întrebări sunt abordate în secțiunea următoare.

Funcțiile celulei cresc excitabilitatea

Mai jos, descriem mai întâi o ipoteză despre rolul schimbărilor dependente de învățare în excitabilitatea globală, care are un suport experimental substanțial. Am propus apoi o a doua posibilitate mai speculativă. Aceste ipoteze nu se exclud reciproc.

Efectele produselor cistanche și cistanche: îmbunătățirea memoriei și a capacității de învățare

Ipoteza alocă-la-legături

După cum s-a descris mai sus, o creștere a cantității de CREB activat îmbunătățește excitabilitatea și, prin urmare, influențează alocarea neuronilor în urma memoriei. Conform ipotezei alocării-la-legături44, aceste schimbări formează o legătură între amintirile evenimentelor care au loc în câteva ore una de cealaltă, iar această legătură are o funcție importantă. După cum s-a descris mai sus, o criză inițială de învățare duce la o creștere a cantității de CREB în neuronii care codifică memorie, care durează ore întregi. Creșterea rezultată a excitabilității duce la recrutarea multor dintre acești neuroni pentru a codifica o nouă memorie formată în timpul perioadei de excitabilitate crescută. Rezultatul net este că două amintiri codificate apropiate în timp sunt codificate prin suprapuneri de ansambluri de neuroni; astfel, cele două amintiri sunt legate și această legătură poate sta la baza amintirii unor evenimente separate care au loc pe o perioadă de câteva ore (Fig. 2a).

Un studiu recent a demonstrat că ansamblurile neuronale hipocampice suprapuse captează într-adevăr amintiri ale contextelor explorate aproape în timp4. Pentru a determina direct dacă celulele suprapuse codifică cele două contexte, autorii au folosit un microscop fluorescent miniatural montat pe cap pentru a monitoriza tranzitorii de calciu în neuronii CAl hipocampali al șoarecilor, în timp ce șoarecii au explorat contexte diferite. A existat o suprapunere mai mare între ansamblurile neuronale activate de aceste contexte atunci când cele două contexte au fost explorate în aceeași zi (5 ore distanță), spre deosebire de zile diferite (7 zile distanță) (Fig. 2b). Acest lucru oferă suport direct pentru ideea că ansamblurile neuronale suprapuse codifică amintiri formate aproape în timp. O consecință a acestei suprapuneri neuronale este că aceste amintiri devin legate comportamental; s-a constatat că, atunci când unul dintre contexte a indus un răspuns de frică, șoarecii au devenit, de asemenea, frică de contextul legat, chiar dacă nu au experimentat niciodată ceva aversiv în acel context (Fig.2c).

Sprijin suplimentar pentru ipoteza de alocare a legăturii a fost obținut prin manipularea fracției specifice de neuroni partajați pentru două amintiri. Aceste studii au demonstrat mai întâi că un ansamblu comun de amigdală codifică două amintiri de frică auditivă care sunt dobândite aproape în timp (în decurs de 6 ore) și că aceste amintiri sunt legate. Cercetătorii au demonstrat rolul specific al unor astfel de ansambluri neuronale partajate prin tăcere, ceea ce a afectat interacțiunea comportamentală a două sarcini dependente de amigdală, dar nu a interferat cu recuperarea sarcinilor individuale47.

Ipoteza alocă-la-legături presupune că creșterea dependentă de CREB a excitabilității crește probabilitatea ca o celulă să devină excitată în timpul codificării apropiate temporal a altor amintiri, legând astfel amintirile prin îmbunătățirea conectivității lor sinaptice. După cum sa menționat, creșterile dependente de CREB ale excitabilității sunt nehomeostatice. Astfel, există îngrijorarea că această creștere a excitabilității poate spori LTP și că răspunsurile potențate pot face ca LTP ulterioară să fie mai probabilă, conducând potențial la potențarea fugitivă. Cu toate acestea, puterea sinaptică este saturabilă4849, iar limita rezultată a LTP poate înlătura preocupările legate de excitația evasiva.

Ipoteza de consolidare a ansamblului

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. Această reluare este crucială pentru formarea unei memorie stabile, deoarece întreruperea specifică a SWR duce la deficite puternice de memorie53-55. S-ar părea probabil că implicarea unui neuron în SWR-uri ar fi îmbunătățită printr-o creștere a excitabilității (a se vedea, de asemenea, ref. 3). Acest lucru ne conduce să sugerăm că o altă funcție a creșterii excitabilității dependente de CREB este de a îmbunătăți consolidarea necesară pentru formarea stabilă a memoriei.

Mecanisme și selectivitatea activării CREB

Dacă CREB are un rol important în alocarea și consolidarea memoriei, activarea sa ar trebui limitată în mare măsură la celulele care au fost implicate în învățare și trebuie să fie încorporate într-un ansamblu de memorie. Potențialele de acțiune nu sunt un indiciu de încredere al evenimentelor legate de învățare, deoarece pot rezulta din activitatea sinapselor potențate anterior.

În mod similar, evenimentele LTP de la sinapsă nu sunt un indicator de încredere că o celulă ar trebui să facă parte dintr-un nou ansamblu, deoarece LTP poate apărea într-o ramură dendritică fără vârfuri somatice de sodiu57,58. Efectuarea unui foc de celule, și astfel capabilă să fie încorporată într-un ansamblu, poate necesita ca mai multe ramuri să sufere plasticitate sinaptică. Astfel, poate fi de dorit ca CREB să fie activat de preferință atunci când există atât evenimente de învățare în dendrite, cât și depolarizare suficient de puternică pentru a provoca arderea. Prin urmare, este de remarcat faptul că există o complexitate considerabilă în căile care duc la activarea dependentă de CREB (Fig. 3): o cascadă de calmodulin kinazei cuplează potențialele de acțiune somatică cu activarea CREB59,60, în timp ce difuzia ERK de la dendrită la soma cuplează plasticitatea sinaptică cu Activarea CREB61. O posibilitate intrigantă este ca aceste căi să efectueze calculul biochimic necesar pentru a marca acele celule care trebuie încorporate într-un ansamblu.

Efectele produselor cistanche și cistanche: îmbunătățirea memoriei și a capacității de învățare

Discuţie

Domeniul învățării și al memoriei nu are o viziune coerentă asupra de ce și cum memoria depinde atât de modificările specifice sinapselor în puterea sinaptică, cât și de schimbările globale ale funcției neuronale. Progresele tehnologice recente au permis vizualizarea și controlul fără precedent al proceselor circuitelor care stau la baza memoriei, iar constatările rezultate susțin opinia că au loc schimbări globale în excitabilitatea și au o contribuție critică la memorie. Aceste observații provoacă modelele standard care atribuie funcția de memorie doar modificării sinaptice. Prezentăm două ipoteze ale rolului specific al schimbărilor dependente de CREB în excitabilitatea globală în memorie, care depășesc vederile tradiționale; unul (allocate-to-link) are acum suport direct, în timp ce celălalt (model de consolidare a ansamblului) este construit pe observații experimentale, dar nu a fost încă testat direct. În ciuda diferențelor conceptuale dintre aceste modele, ele împărtășesc o viziune largă asupra procesului general al memoriei - o vedere care include evenimentele din timpul codificării și consolidării și depășește astfel procesele care sunt direct responsabile pentru stocarea finală a memoriei. În modelul de alocare-la-legături, schimbările dependente de CREB ale excitabilității adaugă funcționalități complet noi sistemului de memorie: capacitatea unei memorii într-un interval de timp de a se asocia selectiv cu alte memorii în același interval de timp. În modelul de consolidare a ansamblului, funcționalitatea adăugată este îmbunătățirea consolidării - o îmbunătățire care este specifică celulelor urmelor de memorie și este în cele din urmă necesară pentru formarea unui ansamblu stabil.

Niciunul dintre modelele propuse nu presupune că modificările transcripționale stau de fapt la baza stocării memoriei în sine și, prin urmare, aceste modele sunt în concordanță cu natura tranzitorie a modificărilor CREB și a învățării și LTP. Acesta este un punct important, deoarece se sugerează adesea că comutarea transcripțională ar putea permite o stocare mai stabilă a memoriei pe termen lung decât comutatoarele sinaptice care depind doar de procesele post-translaționale. Subliniem că datele despre CREB nu sprijină această sugestie; deși transcripția dependentă de CREB pare a fi necesară pentru formarea de amintiri stabile (în special în modelul de consolidare a ansamblului), nu este ea însăși un mecanism stabil de stocare a informațiilor și, prin urmare, nu poate media memoria pe termen lung. Această funcție importantă se poate baza pe modificări stabile la sinapsă (dar vezi referințele, 62,63) sau pe modificări transcripționale legate de învățare, altele decât cele mediate de CREB64,65 (pentru utilitatea potențială a modificărilor ipotetice pe termen lung ale excitabilității, vezi ref. 66).

În rezumat, susținem că orice model general al sistemului de memorie trebuie să includă acum atât modificări persistente la sinapse, cât și schimbări tranzitorii ale excitabilității globale. Astfel de mecanisme duale nu trebuie privite ca fiind contradictorii. Mai degrabă, modificările transcripționale dependente de CREB funcționează pentru a promova modificări sinaptice stabile într-un mod care produce legături temporale utile.

Efectele produselor cistanche și cistanche: îmbunătățirea memoriei și a capacității de învățare

Referințe

1. Hebb, DO. Organizarea comportamentului: o teorie neuropsihologică. Wiley; New York: 1949.

2. Bliss TV, Collingridge GL. Un model sinaptic al memoriei: potențarea pe termen lung în hipocamp. Natură. 1993; 361:31–39. [PubMed: 8421494]

3. Bliss TVP, Collingridge GL. Exprimarea LTP dependentă de receptorul NMDA în hipocamp: unirea diviziunii. Mol Brain. 2013; 6:5. [PubMed: 23339575]

4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. Receptorii NMDA, celulele locului și memoria spațială a hipocampului. Nat Rev Neurosci. 2004; 5:361–372. [PubMed: 15100719]

5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Autofosforilarea la Thr286 a alfa calciu-calmodulin kinazei II în LTP și învățare. Ştiinţă. 1998; 279:870–873. [PubMed: 9452388]

6. Rossetti T, şi colab. Experimentele de ștergere a memoriei indică un rol critic al stocării CAMKII în memorie. Neuron. 2017; 96:207–216. [PubMed: 28957669]

7. Lee YS, Silva AJ. Biologia moleculară și celulară a cunoașterii îmbunătățite. Nat Rev Neurosci. 2009; 10:126–140. [PubMed: 19153576]

8. Nabavi S, et al. Proiectarea unei memorie cu LTD și LTP. Natură. 2014; 511:348–352. [PubMed: 24896183]

9. Matsuzaki M, Honkura N, Ellis-Davies GCR, Kasai H. Baza structurală a potențarii pe termen lung în spinele dendritice simple. Natură. 2004; 429:761–766. [PubMed: 15190253]

10. Hopfield JJ. Neuronii cu răspunsuri gradate au proprietăți de calcul colective precum cele ale neuronilor cu două stări. Proc Natl Acad Sci USA. 1984; 81:3088–3092. [PubMed: 6587342]

11. Morris RGM, et al. Elemente ale unei teorii neurobiologice a hipocampului: rolul plasticității sinaptice dependente de activitate în memorie. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003; 358:773–786. [PubMed: 12744273]

12. Castellucci V, Kandel ER. Facilitarea presinaptică ca mecanism de sensibilizare comportamentală în Aplysia. Ştiinţă. 1976; 194:1176–1178. [PubMed: 11560]

13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Serotonina și AMP ciclic închid canalele K plus unice în neuronii senzoriali Aplysia. Natură. 1982; 299:413–417. [PubMed: 6289122]

14. Alkon DL. Modificări ale curenților membranei în timpul învățării. J Exp Biol. 1984; 112:95–112. [PubMed: 6150967]

15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Modificări ale membranei specifice condiționării neuronilor hipocampali de iepure măsurate in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 1986; 83:2733–2737. [PubMed:3458232]

Efectele produselor cistanche și cistanche: îmbunătățirea memoriei și a capacității de învățare