К числу процессов, способных опосредованно влиять на обучение, относится также модификация синтеза нуклеиновых кислот. В недавнем прошлом среди исследователей было распространено представление о том, что запоминаемая информация хранится в клетках мозга в виде последовательности нуклеотидов во вновь синтезированных нуклеиновых кислотах. В связи с этим ссылались на большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при обучении происходит увеличение синтеза некоторых фракций РНК, в том числе таких, состав которых отличается от последовательности нуклеотидов, характерной для РНК необученных животных. По современным представлениям, однако, эти данные объясняются не синтезом принципиально новой РНК, последовательность нуклеотидов в которой не была закодирована в клетке, а включением, экспрессией участков генома, ответственных за описанный синтез нейроспецифических белков, связанных с обучением.
Экспрессия определенной совокупности генов лежит в основе структурно-функциональной организации любой специализированной клетки многоклеточного организма. Неудивительно, что при функциональной активации нервной системы, например во время обучения, наблюдается интенсификация процессов синтеза РНК и белков в клетках мозга. Сейчас интенсивно изучается вопрос о том, в какой мере происходящие при обучении изменения в экспрессии генов связаны с процессом фиксации и какова молекулярная природа этого процесса, включают ли эти изменения активацию транскрипции ранее "молчащих" генов или они ограничены чисто количественными сдвигами в уровне экспрессии генов.
Неизвестно, связана ли фиксация разнокачественной информации с экспрессией разных генов или существует универсальный для всех пластичных нейронов механизм "записи". Основной трудностью на пути исследования этих вопросов является слабая изученность лежащего в их основе вопроса о морфологическом и нейрофизиологическом субстрате памяти. Исследования специфической для обучения экспрессии генов на целом мозге или его крупных подразделениях неминуемо упирается в проблему "иголки в стоге сена": они затрагивают огромные популяции нервных клеток, функциональная активность которых необходима не для процесса фиксации памяти как такового, а для так называемых неспецифических атрибутов процесса обучения.
Вычленение процесса фиксации памяти из этого общего биологического контекста на уровне целого организма пока трудно осуществить. Неудивительно, что основные успехи в понимании молекулярной природы механизма "записи" информации в нервных клетках достигнуты на простых клеточных моделях обучения, связанных с использованием явлений пластичности в изолированных элементах нервной системы.
Наиболее изученной системой такого рода является моносинаптическая дуга безусловного рефлекса втягивания жабры и сифона в ответ на слабое тактильное раздражение сифона у брюхоногого моллюска аплизии. Амплитуда этого рефлекса кратковременно повышается при однократной и долговременно — при повторяющейся болевой стимуляции области головы или хвоста. В обоих случаях сенситизация связана с повышением эффективности синапсов между сенсорными нейронами сифона и мотонейронами жабры и сифона. С удлинением периода болевой стимуляции продолжительность сохранения сенситизации также постепенно увеличивается: кратковременная сенситизация "перерастает" в долговременную.
Обе формы сенситизации имеют общую морфологическую и нейрофизиологическую основу, но их молекулярные механизмы принципиально различаются. В основе кратковременной сенситизации лежит независимое от текущей экспрессии генов и обратимое повышение уровня фосфорилирования группы белков в сенсорных нейронах сифона, обусловленное кратковременной активацией аденилатциклазы, сопряженной с пресинаптическими рецепторами 5-НТ. Природа и функция большинства этих белков неизвестна, однако одним из них является белок 5-НТ-чувствительного канала К+, уменьшение проводимости которого и составляет основу механизма сенситизации. При долговременной сенситизации фосфорилирование тех же белков повышено в течение срока, соответствующего длительности самой сенситизации, причем этот эффект, как и сама сенситизация, полностью блокируется при ингибировании текущей экспресии генов в период обучения. Анализ индивидуальных, вновь синтезированных при обучении белков методом двумерного электрофореза позволил обнаружить избирательное повышение скорости синтеза нескольких белков, но их природа и функциональная роль пока неизвестны.
Одной из форм долговременного хранения информации в индивидуальных нейронах, так же как в целой центральной нервной системе, является устойчивое изменение в активности нейромедиаторных систем в ответ на адекватную синаптическую стимуляцию. При синаптической стимуляции симпатических нейронов наблюдается устойчивое и многократное повышение уровня мРНК тирозингидроксилазы и уменьшение уровня мРНК препротахикинина. Аналогично, адекватная синаптическая стимуляция приводит к устойчивому повышению уровня мРНК тирозингидроксилазы в норадренергических нейронах голубого пятна и дофаминергических нейронах черной субстанции.
Полученные при исследовании простых нейронных систем данные касаются зачаточных механизмов мнемонической функции, свойственных многим, если не всем нейронам, на разных уровнях центральной и периферической нервной системы. Их, однако, явно недостаточно для объяснения таких свойств долговременной памяти высших животных, как огромное информационное разнообразие и чрезвычайная стойкость.
Пожизненная долговременная память
Все приведенные положения, касающиеся изменения состояния некоторых белков и моделируемые, в частности, с помощью долговременной синаптической потенциации нейронов гиппокампа, касаются лишь относительно кратковременных процессов, сопоставимых по продолжительности с ООП, но не с ДПр. Длительность всех перечисленных нейрохимических модификаций не превышает нескольких суток. В тех же случаях, когда след сохраняется на протяжении многих суток, месяцев и даже лет, происходит, по-видимому, не модификация существующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для чего необходимы устойчивые перестройки в функционировании участков генома.
Включение синтеза новых белков может осуществляться посредством того же фосфорилирования белков хроматина, РНК-полимеразы или рибосомы. Значение синтеза белков для протекания процесса консолидации и формирования долговременной памяти общепризнанно. Доказательством этого служит, во-первых, то, что эти процессы нарушаются ингибиторами белкового синтеза, а, во-вторых, что в период, следующий за обучением, когда сначала упрочиваются продолжительные формы ООП, а затем Происходит закрепление следа в ДП, наблюдается интенсификация процессов, связанных с синтезом белков. К таким процессам относится интенсивное включение лейцина и фукозы в некоторые белки, в частности в гликопротеиды. По данным Г. Маттиеса, интенсификация синтеза белка в период, последующий обучению, имеет два временных максимума: первый — через 1-1,5 ч после обучения — связан с синтезом растворимых, а второй — через 6-10 ч — с синтезом нерастворимых белков. Возможно, что на первом этапе происходит модификация белков, связанных с продолжительной формой ООП, а на втором — с ДПП.
Очевидно, однако, что просто разовым синтезом белков с новой структурой нельзя объяснить закрепление ДПП. Наиболее стабильные из известных белков имеют период полураспада, не превышающий нескольких месяцев, что явно несопоставимо с продолжительностью жизни высших животных. Поэтому для того, чтобы след мог сохраняться в ДПП в течение нескольких, а иногда многих лет, требуется одновременный запуск какой-то устойчивой системы для постоянного обновления соединений данного типа. Какие механизмы способны обеспечить функционирование систем такого рода? Прежде всего, это необратимые перестройки генного аппарата, когда в результате репрессии/экспрессии участков генома часть генов выключается, а часть включается или приводится в состояние готовности к быстрому включению. Такие процессы обеспечивают, например, дифференцировку клеток в ходе онтогенеза и в принципе могут протекать при формировании ДПП.
Перестройка регуляторной системы генома возможна на уровне ДНК посредством вырезания и транслокации участков ДНК, амплификации различных участков и ковалентной модификации нуклеотидов метилированием и деметилированием. Первые две группы процессов связаны с синтезом ДНК. Р.Касол и соавторы показали, что у золотых рыбок при внутрижелудочко-вом введении питозинарабинозы быстро, сильно и устойчиво происходит подавление включения 3Н-тимидина в ДНК мозга, но не обнаруживается сколько-нибудь заметного влияния на формирование условно-рефлекторного навыка. Авторы работы сделали из этого вывод, что синтез ДНК не является необходимым для формирования и сохранения памяти. Следует отметить, однако, что этот вывод не вполне вытекает из условий и результатов их работы. Действительно, на приводимых авторами радиоавтографах мозга золотых рыбок видно, что преобладающий вклад в общее включение введенного в мозговые желудочки меченого предшественника в ДНК мозга вносят сильно метящиеся клетки в структурах, окружающих место инъекции. В этом случае подавление суммарного включения предшественника на 95% не исключает возможности гораздо меньшего подавления синтеза ДНК в структурах, наиболее удаленных от места инъекции. Относительной сохранностью синтеза ДНК и можно объяснить успешное обучение животных и сохранность навыка.
К выводу о важной роли синтеза ДНК для формирования памяти пришли К.Райнис и соавторы, исследовавшие влияние ингибиторов на формирование и сохранность памяти у мышей. При этом 5-иод-2-дезоксиуридин ухудшал память только при введении за два часа до обучения, а гидроксиламин необратимо нарушал воспроизведение памяти даже при введении через три недели после обучения. Более того, показано, что выработка условных рефлексов пассивного избегания у мышей сопровождается повышением включения меченого предшественника в ДНК различных областей неокортекса, причем это включение не связано с делением и миграцией нервных клеток и преимущественно локализовано в околоядрышковом хроматине. Существенными недостатками этой чрезвычайно впечатляющей по совокупности результатов серии исследований можно считать использование недостаточно специфических для синтеза ДНК ингибиторов и отсутствие удовлетворительных биохимических контролей.