Відмінності в процесах навчання і памяті повязані з генетичною програмою

Звичайно аналіз функції певного відділу ГМ проводять шляхом оцінки наслідків його руйнування чи електричної або фармакологічної стимуляції. До поч. 70-х було показано, що одна із функцій гіпокампа – це потужний модулюючий вплив на процеси навчання, зокрема гальмування інструментальних УР (напр. Реакція активного уникнення больової стимуляції). Амер. вчені брати Ваймери і Родерік проаналізували роль генотипічних особливостей в забезпеченні функції гапокампа. Здатність мишей генетично гетерогенної популяції до навчання рекції уникнення електричного струму (при однократному застосуванні) автори співставили з розміром гіпокампа, який визначали після експерименту. Було встановлено, що озмір гіпокампа був прямо пропорційним ефективності навчання. Тобто розмір гіпокампа визначає особливість виконання вивченого навика. Враховуючи, що досліджувана популяція мишей була гетерогенною – то виявлена кореляція мінливості загальних ознак (розмір гіпокампа та ефективність навчання) має генетичну природу.

Морфометричні дослідження різних відділів гіпокампа у мишей та щурів різних генопитів підтвердили існування міжлінійних відмінностей. Спочатку індивідуальну мінливість пемпів навчання вивчали по реакції больового уникнення, таку мінливість досліджували як залежну змінну (експеримерту Ліппа, 1985-95 рр). В якості незалежної змінної брали зони закінчення мохоподібних волокон, аксонів гранулярних клітин зубчастої фасції гіпокампа на базальних дендритах пірамідних нейронів поля СА3 Зони закінчень мохоподібних волокон формують 2 синаптичних поля. Одне розташоване безпосередньо над пірамідними нейронами поля СА3 і називається супрапірамідним шаром. Друге, менша за розміром розташоване всередині шару пірамідних клітин – інтрапірамідні мохоподібні волокна – iipMF. Показано, що щурі і миші тич краще навчаються навичці уникати больового подразнення, чим менша у них площа iipMF. Однак, оскільки вироблення навички уникання болю тільки лабораторний тест і в природніх умовах життя тварин не зустрічається, то для вияснення ролі генотипу в формуванні когнітивних функцій більш інформативними є дані про кореляцію розміру iipMF з успішністю формування навички навчання в радіальному лабіринті, що потребує формування просторових уявлень (формування “розумового” плану лабіринту). Показано, що тварини засвоюють тести про свою розташування у такому лабіринті тим краще, чим більшим у них є розмір проекції мохоподібних волокон гранулярних клітин на базальних дендритах пірамідних нейронів поля СА3 гіпокампу.

Отже, виявлені поведінкові та нейрофізіологічні кореляції дають можливість зробити висновок про те, що ця область синаптичних закінчень (яка сполучає гіпокамп з новою корою) відіграє принципово важливу роль у здійсненні чи модуляції процесу навчання різних типів.

Викоритсання трансгенних мишей для дослідження ролі генотипу в процесах навчання та памяті.

Трансгенні тварини– це своєрідні мутанти у яких методами генної інденерії та молекулярної біології видозмінена певна ділянка геному. Для їх створення в геном тварини (використовуються в основному миші) вводять новий генетичний матеріал – це або ділянка ДНК, яка кодує видозмінений ген, уже присутній у реципієнта ген від іншої тварини (напр. щура) або генетична конструкція, яка містить якийсь із генів реципієнта. Цей фрагмент ДНК вводять на ранніх етапах ембріогенезу. В результаті відповідних маніпуляцій утворюються – химерні тварини.Найчастіше такі експерименти проводять з метою зясувати роль в організмі певного білка, чи білків рецепторів клітинної мембрани. При роботі з нейрогенами (ті які експресуюються в мозку), переважна кількість досліджень присвячена вибірковому виключенню білків-рецепторів, які вибірково звязуються з медіаторами, що впливають на механізм синаптичної передачі в нейронах різних структур головного мозку.

Експериментальні схеми навчання, які використовуються для вивчення запамятовування у тварин дозволяють виясними вплив певного фактору на коротко- чи довготривалу память

Довготривала посттетанічна потенціація.

Важливим модельний об’єктом для вивчення процесу навчання є довготривала посттетанічна потенціація (LTP). Це один із проявів синаптичної пластичності (тобто зміни провідності синапсів), яка проявляється в результаті тривалого бомбардування шару пірамідних нейронів гіпокампу (область СА1) електричним подразненням аксонів, які закінчуються на цих нейронах (тобто штучним шляхом). Такі дослідження проводять, в основному, на переживаючих зрізах гіпокампу, які поміщені в спеціальне середовище. В результаті потенціації клітини починають активно реагувати на подразнення, що були неефективними до нанесення електричної стимуляції.

Для цього процесу (як і для інших форм навчання) необхідним є декілька умов:

1. Активація NMDA-рецепторів – це білкові молекули, розташовані у мембрані нейронів і які змінюють проникність мембрани при взаємодії з N-метил-D-аспартатом – речовиною, яка імітує ефект нейромедіатора;

2. Підвищення внутрішньоклітинної концентрації кальцію – за допомогою вторинних посередників.

3. Участь ферментів (РКА, СаМ, тирозинкінази)

Перебіг LTP в гіпокампі мишей-нокаутів з виключеними генами, кодуючими такі білки, сильно видозмінювалась, але повністю не щезала. Одночасно у цих тварин порушувалось формування просторового навику в тесті Моріса.

Гістологічні дослідження гіпокампа показали у них порушення розташування гранулярних клітин зубчастої фасції, тобто тих нейронів, які утворюють iipMF.

Показано, що суперпродукція білка NMDA-рец. В передньому мозку мутантних мишей супроводжувалась різким підвищенням здатності до навчання і посиленням LTP.

Мутантні миші перевищували здатність контрольних мишей по здатності до засвоєння навику “застигання” (freezing response) при тестуванні після одноразового застосування електричного струму, і них було більш міцне запам’ятовування цієї умовної реакції. Навчання в тесті Моріса у цих мишей було також більш ефективним. Ці спостереження дозволяють зробити висновок, який має дуже важливе значення для нейрофізіології навчання:

1. зміна ефективності NMDA- провідності (і очевидно зміна інтенсивності наступних процесів у нейроні) однаково впливає на формування різних навиків і відповідно являє собою одну із універсальних ланок процесу навчання.
2. Відомо, що формування пам’яті – це ступінчастий процес. На тваринах різного філогенетичного рівня показано, що цьому процесі виділяються принаймні 2 чіткі стадії:

q короткочасна пам’ять, яка не страждає від введення речовин, що пригнічують синтез білка і утворення молекул РНК;

q довготривала пам’ять – її формування може бути блоковано введенням таких речовин.

Перехід від короткочасної до довготривалої пам’яті – консолідація – супроводжується активацією генетичного апарату чи експресією нових генів, які до цього були неактивними (рецесованими).

Вважається доведеним, що довготривала пам’ять пов’язана із змінами структури синаптичних білків. Такі зміни відбуваються в результаті цілого каскаду подій, принциповим моментом яких є фосфорилювання, тобто приєднання радикала неорганічного фосфату до білків. Цей біохімічний механізм напряму пов’язаний із змінами у синапсах при їх активації, він є універсальний і принципово подібний у тварин різного еволюційного рівня розвитку. Виключення із каскаду одного із ланцюгів (шляхом “нокаута” відповідного гену чи навпаки посилення його роботи) дає можливість оцінювати зміни процесів власне “сліду” пам’яті.

Одним із найбільш відомих прикладів таких змін у мишей-нокаутів є виключення гену, що кодує білок CREB. CREB – належить до факторів транскрипції, чи білків що регулюють експресію генів.

Миші-нокаути по CREB досить добре навчаються і добре запамятовують навичку в інтервалах “роботи” короткострокової пам’яті (30-60 хв після початку навчання). Якщо ж збереження навички тестували в строки, коли повинна “запрацювати” довготривала пам’ять (через 2 год), то відтворення було порушеним).

Крім того, LTP у мишей з відсутністю гена, що кодує білок CREB, розвивалась аномально в тих же діапазонах часу. Через 2 год після впливу, викликаючого LTP, в зрізах гіпокампа таких тварин всі її прояви вже відсутні, а у нормальних - зберігаються.

Сукупність даних, одержаних на тваринах різного рівня розвитку, дозволяє зробити висновок, що експресія транскрипційного фактора CREB, який активує гени, що безпосередньо включені у процес формування пам’яті, і ряду інших генетичних елементів є важливим етапом запису пам’ятного сліду в мозку.