В конце февраля в журнале Frountiers in Molecular Biology вышла статья Бенжамина Гульта (Benjamin Goult), в которой он предложил свою теорию формирования памяти.

Эта теория смогла объяснить, в какой форме находятся воспоминания в мозге, почему порой они исчезают, почему мы способны вспоминать за считанные секунды, где физически находится память. Об этой статье сразу же написали в целом ряде новостных изданий, назвав теорию Гульта революционной. Но действительно ли это так?

Бенжамин Гульт – профессор университета Кента в Великобритании. С 2006 года он занимался исследованиями белка талина у животных. Свою теорию он основывает на функционировании именно этого элемента, называя его “белком памяти”.

Прежде чем погрузиться в механистическую теорию памяти, попробуем в общих чертах вспомнить некоторые сведения из цитологии – науке, изучающей клетки.

Цитология

Наше тело и органы состоят из разного рода тканей, например, мышечной, нервной. Каждая ткань – это стабильная совокупность множества клеток, тех самых, которые мы активно изучали на уроках биологии в школе.

Клетки – основные «кирпичики» живого организма. Они состоят из ядра и целого ряда других органелл. У каждой клетки есть клеточный скелет – цитоскелет. Он необходим для того, чтобы поддерживать форму клетки, способствовать клеточной миграции, а также осуществлять транспортировку химических веществ внутри самой клетки. Один из основных компонентов цитоскелета – актин, формирующий в клеточной мембране множество нитей, играющих роль каркаса клетки.

Клетки, объединяясь в ткани, удерживаются вместе за счет связей, которые они образуют как друг с другом, так и со специальной структурой, в которой они “плавают” — внеклеточным матриксом.

Таким образом, внеклеточный матрикс – это своеобразный фундамент ткани, состоящий из ряда белковых молекул – гликопротеинов (например, коллагена) и протеогликанов,– за который цепляются клетки. Чтобы зацепиться за внеклеточный матрикс, клетка образует целый белковый комплекс, который можно сравнить с якорем.

Упрощенно представим себе, что наш якорь состоит из 3 белков. Один из белков – это интегрин. Он находится в клеточной мембране и соединяется с внеклеточным матриксом. Второй элемент – это актин, сам цитоскелет клетки. Соединительный элемент между ними – талин. Он упрочняет сцепление между актиновыми нитями и интегрином, который присоединяется к внеклеточному матриксу.

Белок памяти

Талин – белок-связка, который состоит из 13 спиральных белковых пучков. Каждый такой пучок может существовать в двух возможных видах: свернутом или развернутом. Если назвать свернутое состояние пучка – 0, а развернутое – 1, то получается, что один белок талина будет записывать некую информацию в виде двоичной последовательности, например: 0110 1111 0000 1.

Такая последовательность с помощью белка винкулина закрепляется и сохраняется на длительное время. Определенная последовательность спиральных пучков позволяет клетке сохранять гомеостаз в изменяющейся внешней среде. Стоит среде измениться, возникает механическое напряжение, которое талин улавливает, на которое он реагирует.

В результате он словно вычисляет новую формулу стабильности, преобразуя последовательность спиральных пучков. Эта новая последовательность вернет клетку в стабильное состояние. Таким образом, в талине происходит обработка информации из внешней среды, итогом которой становится новая двоичная последовательность.

На уровне нейронов

Каждый нейрон – это клетка. Поэтому все то, что было описано выше, применимо и к мозгу. Каждый синапс имеет привязку к внеклеточному матриксу, осуществляемую с помощью интегрина и талина. Если синапс активирован, пресинаптический нейрон осуществляет транспортировку нейромедиаторов в постсинаптический клетку. Этот процесс изменяет окружающую среду клетки, вызывая механические колебания, улавливаемые талином (ведь выброс нейромедиатора требует определенной механической силы). Белок “вычисляет” новую двоичную последовательность, которая возвращает его в стабильное состояние.

Полученные двоичные последовательности далее считываются лигандами (молекулами-«соединителями») в нейроне. В зависимости от того, свернуты ли пучки талина или развернуты, в процессе считывания участвуют разные лиганды.

По итогу считывания каждый синапс имеет свой набор лиганд, своеобразную лигандную маркировку. В зависимости от этой маркировки в нейроне начинают осуществляться глобальные структурные изменения: изменяется количество протеинов в синаптических окончаниях, синапс видоизменяется, увеличиваясь или уменьшаясь. Часть протеинов приходит в активный синапс из других пассивных нейронных терминалей.

Число используемых протеинов в клетке постоянное, оно регулируется на генетическом уровне, поэтому чтобы доставить дополнительный протеин в активный синапс, необходим его отток из других. Клетка организуется таким образом, чтобы более важный, активный синапс был в состоянии боеготовности и мог при необходимости передать сигнал другой клетке.

Таким образом, новая структура (конформация) талина изменяет сам нейрон, а также вероятность возникновения потенциала действия (путем регулирования порогового значения нейрона).

На уровне организма

По периметру синапса для каждого нейрона содержится несколько “якорей”, в каждом из которых есть своя последовательность из «нулей и единиц». Эту последовательность можно объединить в одну более длинную, которая будет кодировать текущее состояние конкретного синапса.

А так как синапсов в мозге около 100 триллионов, то получается, что все двоичные последовательности вместе взятые кодируют в мозге текущее состояние организма, которое зависит от внешней среды.

Гульт предполагает, что именно такая двоичная последовательность пучков в белке талине представляет собой основу сохранения информации в мозге. Такую последовательность он называет MeshCode.

По гипотезе ученого, нейронная сигнализация изменяет этот самый код, из-за чего происходит биологическое вычисление – поиск стабильного состояния белка. Конформация белка, в свою очередь, влияет на нейрон. И так далее.

Организация памяти

Но что же дальше? Если каждое наше воспоминание – это запись мгновенного состояния организма, то как в таком количестве информации мозг ориентируется? Почему мы вспоминаем порой за долю секунды, не теряя времени на поиск информации? Создается впечатление, что каждое воспоминание находится на своем четко определенном месте, и чтобы что-то вспомнить, мозг просто направляет энергию в нужные нейроны.

Гульт предполагает, что подобная клеточная организация памяти похожа на ячейки в жестком диске компьютера. Роль самого жесткого диска играют нейронные колонки коры головного мозга. Кортикальный модуль (или жесткий диск, если хотите), состоит из шести слоев нейронов, направленных перпендикулярно поверхности коры.

Каждая колонка содержит свою структуру и имеет более 10.000 синапсов, в которых есть несколько десятков или сотен белковых комплексов с талином. Такие колонки могут играть роль модулей памяти, позволяющих четко организовывать наши воспоминания, категоризировать их и хранить в определенном месте в зависимости от типа.

Гульт предполагает, что мозг имеет своеобразную карту воспоминаний, которая и позволяет ему быстро ориентироваться во всей информации. Ученый считает, что такая карта создается благодаря деятельности гиппокампа. Эта структура мозга принимает новую информацию, распределяет ее в свободные модули памяти и индексирует таким образом, чтобы в нужный момент эту информацию можно было легко обнаружить.
Как гиппокамп организует нашу память

Гиппокамп не сохраняет информацию, вместо этого он осуществляет ее первичную обработку и затем распределяет по модулям памяти. То есть он играет роль дирижера запоминания.

Основная работа гиппокампа, по мнению Гульта, происходит ночью, когда мы спим. В фазе медленного сна организм осуществляет обработку всей информации за день: через изменение белка талина, лигандного считывания, а также через изменения структуры нейронов.

Затем, в фазе быстрого сна, гиппокамп передает (электрохимически) получившийся код в свободные модули памяти в коре мозга. Именно поэтому в фазе быстрого сна наблюдается высокая активность мозга.

Такой цикл повторяется несколько раз за ночь, что позволяет записать всю информацию в коре и индексировать ее наиболее эффективным образом.

Ряд современных исследований также показал, что во сне мозг убирает ненужные воспоминания из гиппокампа, очищает его и подготавливает для приема новой информации в течение следующего дня.

Проблемы памяти

Почему порой человек не может вспомнить какое-либо событие? Это происходит из-за того, что нарушается координация механизма двоичного кодирования в талине. Например, из-за гипоксии или во время болезни Альцгеймера (вследствие негативного влияния тау-белка и бета-амилоидов).

Возрастные проблемы памяти также могут быть вызваны неполадками двоичного кодирования. Из-за того, что с возрастом теряется целостность нейронных связей, талин хуже реагирует на изменения окружающей межклеточной среды.
Критика

Революционная теория на самом деле продолжает множество работ в области молекулярной биологии памяти. Вклад в эту область внесли и Эрик Кандель, и Константин Анохин, и Лари Сквайр и многие другие. Благодаря вкладу этих ученых стало ясно, что память – это изменения в синапсе, клетке и даже в экспрессии генов.

На текущий момент эта теория стремится описать множество процессов в мозге, тем самым представляя собой своеобразную “теорию всего”. Однако, зачастую, именно это не позволяет ученым увидеть полную картину реальности, так как с помощью одной теории или одного явления описывается абсолютно все (от памяти до сна).

Теория Гульта не объясняет, почему же в момент воспоминания большая активность наблюдается в префронтальной коре мозга, также не отвечает на вопрос, как без гиппокампа может формироваться несознательная моторная память (как в случае с Генри Молисоном). Помимо этого, она базируется лишь на одном механочувствительном белке – талине, в то время как их несколько, и каждый может подобным образом участвовать в формировании памяти.

Однако, данная теория – интересная попытка дать ответ на вопрос “что же такое воспоминание с точки зрения мозга”. И если мозг действительно запоминает бинарными комбинациями множества спиральных пучков белка талина, то в будущем этот подход позволит не только лечить проблемы памяти, но и сохранять память личности вне самого человека, на внешних информационных носителях.

Текст: Никита Отставнов

Отредактировано Шарпер (2021-03-12 22:47:38)