Среди многочисленных направлений в изучении памяти макромолекулярный уровень занимает особое место. Преимущество этого подхода состоит прежде всего в том, что он позволяет выявить общие фундаментальные закономерности в механизмах памяти животных и человека. Однако заметим сразу, что с помощью такого подхода нельзя исчерпать весь содержательный объем такого сложного феномена, как память.
Один из основоположников молекулярной биологии — академик Андрей Николаевич Белозерский писал: «Между тем, если быть объективным, необходимо отметить: никогда и никто из настоящих ученых не считал, что молекулярная биология заменит все другие уровни изучения живого мира» [5, с. 3].
Сказанное о молекулярной биологии в целом полностью применимо, в частности, к оценке результатов изучения молекулярных механизмов памяти.
Изучение молекулярных механизмов памяти исторически связано с успехами биохимии, и прежде всего с биохимией нуклеиновых кислот. Всемирно известные работы шведского нейрохимика Н. Хидена (начало 50-х годов), изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти, положили начало многочисленным исследованиям в этой области.
Значительный всплеск исследований роли РНК в процессах памяти наблюдался после опубликования работ группы американских психологов, изучавших молекулярные механизмы памяти планарий.
Полученные факты продемонстрировали связь РНК с процессами памяти. Что же касается молекулярных механизмов памяти, то единственной попыткой их выделения была гипотеза Хидена, в которой РНК приписывалась кодирующая роль.
В настоящее время результаты этих исследований имеют историческое значение, так как последующие опыты не подтвердили подобное представление о роли РНК в механизмах памяти.
У нас в стране систематическое изучение молекулярных механизмов памяти началось в начале 60-х годов. Результаты этих исследований хорошо известны специалистам и неоднократно обобщались в обзорных статьях и монографиях [14, 17, 18, 19, 20].
1.
Сравнительно-физиологическое изучение макромолекулярных механизмов
В Московском университете на кафедре высшей нервной деятельности впервые для изучения молекулярных механизмов памяти был использован сравнительно-физиологический подход [30, 33].
Исследования в этом плане систематически проводятся нами с группой сотрудников, начиная с 1962 г. В основу выбора объектов исследования был положен принцип отличия их по степени морфологической организации нервной системы — на уровне ароморфозов. Известно, что прогрессивное развитие нервной системы является одним из важнейших выражений морфофизиологического прогресса [23]. Подчеркнем, что ароморфозы представляют «приспособления широкого значения» [37], обеспечивающие выживание организмов в условиях среды, более сложных и разнообразных, чем были у предков. Сказанное позволяет рассматривать результаты сравнительных данных, полученных на животных, сгруппированных по принятому критерию, в качестве общей эволюционной закономерности. Одновременно такой принцип позволяет экстраполировать результаты, полученные в экспериментах с животными, на человека.
В опытах были использованы 3 группы методических приемов: 1) общепринятые в физиологии высшей нервной деятельности методики (условнорефлекторные модели памяти); 2) приемы, специально разработанные для изучения памяти некоторых групп животных; 3) общеизвестные методики из арсенала цитологии и биохимии нуклеиновых кислот, впервые примененные нами для изучения механизмов памяти (в совместных исследованиях с соответствующими специалистами).
В качестве видов памяти использовались: привыкание к вибрационному раздражителю (инфузории, гидры), различные электро- и химические оборонительные условные рефлексы (планарии, моллюски), простые и цепные пищевые условные рефлексы (крысы, кролики).
2.
Роль рнк в механизмах памяти
Сравнительный анализ данных о роли нуклеиновых кислот в механизмах памяти обнаружил, что формирование памяти коррелирует с уровнем РНК в клетках. Участие РНК в фиксации и воспроизведении информации, поступающей из среды, было обнаружено у всех изученных животных независимо от их физиологических механизмов памяти. Так, формирование пищевых условных рефлексов у крыс сопровождалось повышением содержания РНК в ядре и цитоплазме пирамидных нейронов гиппокампа, введение РНК в среду положительно влияло на выработку условных рефлексов у планарий. РНКаза замедляла привыкание у инфузорий, тормозила обратимо оборонительные условные рефлексы у планарий, простые и цепные рефлексы крыс и кроликов [10, 11, 12, 31, 32].
Результаты экспериментов показали, что рибонуклеиновая кислота играет важную роль в механизмах памяти. Сказанное в равной степени относится как к элементарной краткосрочной, неассоциативной памяти (привыкание), так и к долговременной, ассоциативной (условнорефлекторной).
Результаты опытов, проведенных с использованием разнообразных методических приемов, позволили говорить о роли суммарной (информационной, транспортной и рибосомальной) РНК в процессах воспроизведения и фиксации информации.
Наши опыты не содержали доказательств кодирующей роли РНК. Сравнительный анализ результатов экспериментов показал, что роль РНК в механизмах памяти косвенно отражает участие белков в этом процессе. Опыты на животных разного уровня филогенеза, значительно отличающихся по структурной организации нервной системы, свидетельствуют об эволюционной универсальности выявленных закономерностей.
Действительно, для всех изученных видов оказалась характерной одна и та же закономерность: нарушение памяти при снижении уровня РНК в клетках. И наоборот, формирование памяти приводило к активации синтеза РНК.
Таким образом, необходимость участия РНК в процессах фиксации и воспроизведения может быть объяснена участием этой кислоты в общерегулярных клеточных процессах.
3.
Ультраструктурные корреляты памяти
Нами были проведены впервые в науке опыты по изучению ультраструктурных механизмов памяти. В опытах ставился вопрос том, в какой степени выявленные ранее закономерности отражаются в надмолекулярных (ультраструктурных) перестройках в цитоплазме клеток.
Основное внимание уделялось изучению внутриклеточных перестроек в органеллах, ответственных за белково-нуклеиновый синтез. Были исследованы ультраструктурные внутриклеточные изменения при формировании памяти у животных четырех уровней филогенеза: донервного (инфузории спиростомы). с примитивной нервной системой (пресноводные гидры), с ганглионарным мозгом (моллюски), с развитой нервной системой и дифференцированным мозгом (белые нелинейные крысы).
В клетках инфузорий наблюдались изменения, отражающие интенсификацию рибосомальной РНК (переход формы ядрышка в нуклеолонемную, ядрышко приобретает форму быстро растущей клетки). Важно отметить, что в контрольных опытах изменения в ядрышках отражали снижение синтеза РНК.
Изменения в цитоплазме в результате привыкания по сравнению с цитоплазмой необученных животных также свидетельствовали об интенсификации белкового синтеза (увеличение числа цистерн шероховатого эндоплазматического ретикулума и числа полисом) [15].
В нервных клетках гидр в результате привыкания наблюдалось увеличение числа ядрышек, упорядочение структуры гранулярного ретикулума. В нейросекреторных клетках — увеличение нейросекреторных гранул. Формирование условнорефлекторной памяти моллюсков также сопровождалось увеличением числа полисом, гранулярного эндоплазматического ретикулума в, нейронах церебрального ганглия.
Аналогичные изменения были отмечены и в нейронах поля СА—1 дорзального гиппокампа крыс в процессе выработки пищевых условных рефлексов [26, 27].
Анализ электронограмм показал, что при обучении и активном контроле в цитоплазме нейронов, обученных по сравнению с необученными животными, происходит увеличение числа полисом и протяженности гранулярного эндоплазматического ретикулума.
У долгообученных животных указанные изменения выражены ярче. Сравнительный анализ ультраструктурных изменений при обучении позволяет заключить, что в нейронах ингиппокампа крыс ультраструктурные перестройки выражены четче по сравнению с изменениями в клетках животных, стоящих на более низких уровнях филогинеза.
Таким образом, сравнительный анализ результатов опытов продемонстрировал однонаправленность внутриклеточных ультраструктурных сдвигов, отражающих формирование индивидуально приобретенной памяти у животных с разным уровнем организации нервной системы [36, 38].
Наши опыты показали также, что формирование памяти у животных различных уровней филогенеза и значительно отличающихся по морфологической организации нервной системы сопровождается ультраструктурными изменениями в цитоплазме А клеток, отражающими интенсификацию белкового синтеза (известно, что только агрегированные рибосомы способны синтезировать белок [25]). Подчеркнем, что сравнительно-физиологическое изучение роли РНК в механизмах памяти, как и исследование ультраструктурных изменений, сопровождающих процессы памяти, косвенно свидетельствовало об изменении матричной активности ДНК при обучении. Таким образом, полученные факты позволили предположить, что закономерности, выявленные при изучении роли белково-нуклеиновых перестроек, сопровождающих память, вторичны и отражают изменения в ДНК.
4.
Модификация днк мозга в процессе формирования памяти
В результате анализа собственных экспериментов и литературных данных нами была сформулирована гипотеза о возможном участии дезоксирибонуклеиновой кислоты в механизмах памяти — гипотеза параллельного кодирования [28]. Одним из основополагающих положений гипотезы служит тезис о возможности разделения функций между различными типами ДНК в зависимости от кодирования врожденной и приобретенной памяти. В литературе мы не обнаружили данных, непосредственно свидетельствующих о каких-либо изменениях в ДНК в связи с феноменом приобретенной памяти. Выяснение этого вопроса и явилось первым шагом в разработке гипотезы.
Различные пищевые и оборонительные условные рефлексы у белых беспородных крыс послужили основой моделирования памяти в наших опытах.
Конкретные эксперименты проводились в двух направлениях.
1. Изменение степени метилирования ДНК мозга при формировании условных рефлексов. Приступая к опытам, мы сосредоточили свое внимание на возможной экзимотической модификации ДНК, в частности на явлении метилирования [6]. Под уровнем метилирования ДНК понимается содержание в ДНК метилированных «минорных» компонентов. Установлено, что единственным минорным компонентом животных клеток является 5-метилцитозин. Уникальным донором СН, групп служит аденозмнметионин, который образуется в клетке в результате активирования аминокислоты метионина.
Мы не обнаружили литературных источников о связи метилирования ДНК мозга с механизмами индивидуально приобретенной памяти.
В наших экспериментах определялась степень метилирования ДНК у трех групп животных с выработанными пищевыми условными рефлексами у животных, получающих свет и пищу в случайном порядке, и у интактных животных.
Анализ результатов опытов показал, что у обученных крыс в отличие от контрольных (интактные) было обнаружено статистически достоверное увеличение степени метилирования ДНК гигапокампа и коры при отсутствии изменений в мозжечке: так, у опытных животных в коре содержание 5-мц было 1,45+0,13 по сравнению с контрольной группой — 1,07+0,07; в гиппокампе у опытных животных —1,63 + 0,04 по сравнению с контролем — 1,15+0,01; в мозжечке —соответственно 0,99 + 0,01 и 0,96 + 0,06. Было детально исследовано изменение степени метилирования в зависимости от прочности условных рефлексов при их угашении, в нейронах и глие [7, 8, 9, 13].
2. Синтез ДНК в мозге в процессе формирования памяти. После доказательства принципиальной Возможности модификации ДНК в процессах приобретенной памяти встал вопрос о возможной связи установленного феномена с синтезом ДНК при обучении.
В наших опытах синтез ДНК в неокортексе и мозжечке крыс на разных стадиях изучался у трех групп животных: с выработанными условными рефлексами, получающими условные и безусловные раздражители в случайном порядке (активный контроль) и у интактных животных [ 1, 2, 3, 4].
Анализ результатов показал, что выработка условных рефлексов сопровождается значительной интенсификацией синтеза ДНК в неокортексе, синтез ДНК в мозжечке при этом существенно не менялся. Оказалось, что индукция синтеза ДНК в неокортексе приурочена в основном к периоду выработки условного рефлекса и первым часам его сохранения. Она коррелирует с обратимым повышением уровня метилирования ДНК мозга при обучении. Опыты показали, что отмеченная индукция синтеза ДНК при обучении связана главным образом с нейрональными элементами неокортекса.
Весьма существенно, что вновь синтезированная при обучении, ДНК не отличается от суммарной ДНК неокортекса по степени метилирования, т. е. повышение уровня метилирования ДНК при обучении не связано с синтезом каких-либо богатых метилированными остатками последовательностей ДНК. Индуцированный обучением синтез ДНК избирателен и связан с последовательностями ДНК, повторенными в геноме около 10—20 раз.
На основе выявленных закономерностей можно предположить, что индуцированный обучением избирательный синтез ДНК в неокортексе связан с активацией экспрессии генов, т, е. с механизмом репарации.
Интенсификация репарации может быть способом возвращения уровня метилирования ДНК, к исходной величине, заключающейся в выщеплении возникших при обучении «лишних» остатков 5-метилцитозинах и «застройке» образующихся при этом брешей в ДНК, т. е. происходит эксцезионная репарация, в которой существенная роль принадлежит ДНКазам мозга [16].
Заключение
Сравнительно-физиологическое изучение макромолекулярных и ультраструктурных основ памяти продемонстрировало однонаправленность внутриклеточных изменений, отражающих формирование памяти у животных разного уровня филогенеза и обладающих различными функциональными механизмами. Эти изменения сопровождали формирование как краткосрочной памяти (привыкание к различным воздействиям у донервных одноклеточных организмов и кишечнополостных, у которых впервые в эволюции появляются нервные клетки), так и относительно сложной долговременной условнорефлекторной памяти (моллюски, крысы).
Выявленная закономерность может служить свидетельством универсальности описанных явлений. Одним из объяснений такой универсальности представляется положение о том, что внутриклеточные макромолекулярные процессы, сопровождающие накопление и воспроизведение информации, сформировались на ранних стадиях филогенеза и в ходе дальнейшей эволюции принципиально не менялись. Исходя из теоретических представлений Л. А. Орбели о том, что в процессе эволюционного развития старые функциональные отношения не уничтожаются, а лишь затормаживаются новыми, можно представить, что протоплазма нервных клеток сохраняет возникшую на уровне простейших способность формировать следы за счет макромолекулярных перестроек.
Наши данные позволяют разделить точку зрения Е. Н. Соколова [24] о том, что наличие памяти у одноклеточных заставляет рассматривать теории памяти, основанные на образовании контактов, скорее как усложнения при переходе к взаимодействию нейронов, чем как собственно основу памяти.
Универсальность закономерностей, выявленных при сравнительно-физиологическом подходе к изучению молекулярных механизмов памяти, позволяет предположить существование общего для животных (разных уровней филогенеза) и человека механизма записи приобретенной информации. Несмотря на то что вопрос о молекулярных механизмах памяти нельзя считать окончательно закрытым, результаты этих исследований уже сейчас представляют большое практическое значение —прежде всего при разработке универсальных опособов управления поведением в норме и патологии на молекулярном уровне.
В частности, разультаты наших исследований были использованы в клинике нервных болезней 1-й ММИ им. И. М. Сеченова для лечения больных, страдающих нарушениями краткосрочной памяти по типу синдрома Корсакова [22]. Изучение степени модификации ДНК мозга используется в качестве одного из показателей глубины пептидной коррекции памяти, нарушенной различными стрессовыми факторами [35].
К наиболее перспективному направлению дальнейшего изучения макромолекулярных механизмов памяти следует отнести, на наш взгляд, прежде всего анализ участия различных типов ДНК эукариот в формировании памяти [34].
ЛИТЕРАТУРА
- Ашапкин В. В., Романов Г. А., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Индукция синтеза ДНК в мозгу крыс при обучении // Биол. науки. Т. 981, № Ц С. 30—34.
- Ашапкин В. В., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Индуцированный обучением избирательный синтез ДНК в мозге крыс // Биохимия. 1983 Т 48 вып. 3. С. 355—362.
- Ашапкин В. В., Тушмалова Н. А. О механизмах активации генома при формировании памяти // Механизмы пластичности мозга: Материалы Всесоюз. симпоз. Махачкала, 1982. Т. 1. С. 43-44.
- Ашапкин В. В. Синтез ДНК в мозге крыс при формировании условно-рефлекторной памяти: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М, 1983. 20 с.
- Белозерский А. 77. Молекулярная биология — новая ступень познания природы. М., 1970. 188 с.
- Ванюшин Б. Ф. Метилирование ДНК в клетках различных организмов // Успехи соврем, биологии. 1974. Т. 77, вып. 2. С. 68—90.
- Ванюшин Б. Ф., Тушмалова Н. А., Гуськова Л. В. Метилирование ДНК мозга как показатель участия генома в механизмах индивидуально-приобретенной памяти // Докл. АН СССР. Сер. биол. 1974. Т. 219, № 3. С. 742—744.
- Ванюшин Б. Ф., Тушмалова Н. А., Гуськова Л. В. и др. Изменения уровня метилирования ДНК головного мозга крыс при выработке условного рефлекса // Молекуляр. биология. 1977. Т. 11, № 1. С. 181—187.
- Витвицкая Л. В. Метилирование ДНК различных отделов мозга крыс в процессах условнорефлекторной деятельности: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М., 1977. 19 с.
- Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А., Данилова Р. А., Казеннова И. И. Сравнительно-физиологические данные о влиянии рибонуклеазы на условные рефлексы // Конференция по проблемам памяти. Пущино, 1966. 15 с.
- Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А., Казеннова 77. И. К вопросу о роли рибонуклеиновой кислоты в процессе сохранения временной связи//Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1968. Т. IS, вып. 1. С. 3—9.
- Воронин Л. Г., Тушмалова Н. А. К вопросу об участии рибонуклеиновой кислоты гиппокампа в механизмах памяти // Гагрские беседы. Тбилиси, 1972. Т. 6. С. 309—324.
- Гуськова Л. В., Бурцева Н. Н., Тушмалова Н. А., Ванюшин Б. Ф. Уровень метилирования ДНК ядер нейронов и глин коры мозга крыс и его изменения при выработке условного рефлекса // Докл. АН СССР. 1977. Т. 233, № 5. С. 939—996.
- Дергачев В. В. Молекулярные и клеточные механизмы памяти. М., 1977. 256 с.
- Зазулина И. В. (Маракуева). Исследование ультраструктурных механизмов привыкания у инфузорий спиростом: Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М., 1979. 20 с.
- Иванов В. А., Терпиловская О. 77., Третьяк Т. М., Смирнова Г. И. Характеристика ДНКазы головного мозга крыс // Биохимия. 1982. Т. 47, № 3. С. 398—404.
- Кометиани П. А., Алексидзе Н. Т., Клейн Е. Э. Нейрохимические аспекты памяти. Тбилиси, 1980. 198 с.
- Кометиани 77. А. Биохимические аспекты памяти животных. Тбилиси, 1972. 65 с.
- Кругликов Р. И. Нейрохимические механизмы обучения и памяти. М., 1981. 211 с.
- Крылов О. А. К анализу клеточных и молекулярных механизмов фиксации адаптивной памяти // Успехи физиол. наук. 1979. Т. 10. С. 3—22.
- Орбели Л. А. Об эволюционном принципе в физиологии // Избр. тр. М., 1969. Т. 1. С. 122—132.
- Попова Л. Т., Солдатова С. А., Тушмалова Н. А., Семенова Т. П., Утешев В. К. Опыт применения рибонуклеиновой кислоты при нарушениях памяти по данным клинических и экспериментальных исследований//Проблемы афазии и восстановительного обучения. М., 1975. С. 232—240.
- Северцов А. Н. Главные направления эволюционного процесса. М., 1967. 201 с.
- Соколов Е. Н. Механизмы памяти. М., 1969. 175 с.
- Спирин А. С, Гаврилова Л. П. Рибосома. М., 1971. 254 с.
- Тушмалова Н. А., Глезер И. И., Иванова Л. И. Электронно-микроскопическое исследование нейронов гиппокампа в процессе выработки условных рефлексов // Сообщ. XI съезда Всесоюз. физиол. о-ва. Л., 1970. С. 117— 119.
- Тушмалова Н. А., Прокофьева Л. И. Ультраструктура нейронов гиппокампа при выработке условных рефлексов у крыс//Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1973. Т. 23, вып. 3. С. 651—652.
- Тушмалова Н. А. Гипотеза параллельного кодирования памяти // Биол. науки. 1973. № 6. С. 37—41.
- Тушмалова Н. А., Зазулина И. В., Поляков В. 70. Изучение ультраструктурных изменений, сопровождающих элементарную форму памяти//Тез. докл. III конф. по памяти. Пущино, 1974. С. 320.
- Тушмалова Н. А. Сравнительно-физиологическое исследование структурно-функциональных механизмов памяти: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 1976. 35 с.
- Тушмалова И. А., Куракина М. Н. Цитофометрическое определение содержания РНК в нейронах дорзального гиппокампа при выработке условного рефлекса // Вестн. МГУ. 1976. № 4. С. 33—35.
- Тушмалова Н. А. О сравнительно-физиологическом подходе в изучении макромолекулярных механизмов памяти // Регулирующие механизмы памяти: Междунар. симпоз. Л., 1980. С. 18—21.
- Тушмалова Н. А. Сравнительно-физиологическое изучение ультраструктурных коррелятов индивидуально-приобретенного поведения//Механизмы поведения. М., 1983. С. 13—14.
- Тушмалова П. А. Использование принципа единства структуры и функции при изучении роли ДНК в механизмах индивидуально-приобретенной памяти: (К вопросу о стратегии исследования)//Нейрохимические механизмы регуляции памяти: Тез. докл. Всесоюз. симпоз. Пущино, 1984. С. 7.
- Тушмалова Н. А., Ашапкин В. В., Квекескири Н. Л. Пептидная коррекция памяти нарушенной пищевой депривацией у крыс // Журн. высш. нерв, деятельности им. И. П. Павлова. 1986. Т. 36, вып. 5. С. 925—927.
- Тушмалова Н. А., Маракуева И. В. Сравнительно-физиологическое исследование ультраструктурных аспектов памяти. М., 1986. 148 с.
- Шмальгаузен И. И. Проблемы дарвинизма. Л., 1969. 317 с.
- Tuschmalova N. A. On subcelluar correlates of memory // Activ. nerv. super. 1977. Vol. 19, N 2. P. 147.