У наших клеток есть собственная память. Как тело усваивает информацию в обход нервной системы

В когнитивной психологии и нейробиологии существует базовое правило, известное как эффект интервального повторения. Суть его сводится к тому, что любая информация усваивается и сохраняется значительно лучше, если она поступает отдельными порциями с временными перерывами, а не единым непрерывным потоком. Этот феномен был впервые задокументирован Германом Эббингаузом еще в конце XIX века при изучении кривой забывания.

На протяжении многих десятилетий наука исходила из предпосылки, что способность обрабатывать временные паттерны и конвертировать их в долговременную память является эксклюзивным свойством нервной системы. Считалось, что этот процесс напрямую и неразрывно связан со сложной архитектурой нейронов, формированием синапсов и передачей электрических импульсов.

Однако новое исследование группы биологов из Нью-Йоркского университета, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, меняет наше понимание когнитивных процессов. Ученые доказали, что молекулярные механизмы, отвечающие за формирование памяти, не требуют наличия нейронных сетей. Способность фиксировать ритм поступающих сигналов и реагировать на интервалы встроена в базовую биохимическую структуру практически любой человеческой клетки, включая те, которые не имеют никакого отношения к нервной системе.

Молекулярная архитектура воспоминаний

Сначала лучше рассмотреть формирование памяти не на уровне анатомии мозга, а на уровне внутриклеточной химии. Запоминание информации — это не просто циркуляция электрического заряда. Это процесс изменения физической структуры клетки, который происходит в ее ядре.

Когда нейрон получает серию специфических сигналов извне, внутри него запускается строгая последовательность химических реакций. Ключевую роль в этом каскаде играют ферменты, называемые протеинкиназами (в частности, PKA и PKC). Они активируют другой важный белок — ERK, который после активации перемещается в клеточное ядро. Там он воздействует на фактор транскрипции CREB.

Белок CREB выступает в роли главного интегратора клеточного опыта. Его задача — запустить экспрессию определенных генов, которые начинают синтезировать новые белки. Именно эти новые белки модифицируют функции клетки на длительное время, превращая кратковременный сигнал в долговременное структурное изменение. Так формируется физический носитель памяти.

Исследователи обратили внимание на фундаментальный эволюционный факт: белки PKA, PKC, ERK и фактор транскрипции CREB не являются уникальными компонентами нервной ткани. Это древнейшие сигнальные пути, которые присутствуют в большинстве эукариотических клеток. Из этого следовала логичная гипотеза. Если инструментарий для формирования памяти есть у обычной клетки тела, возможно, она также способна запоминать ритм внешних воздействий и демонстрировать эффект интервального повторения.

Конструирование клеточного индикатора

Для проверки этой гипотезы исследователи полностью отказались от работы со сложными культурами нервной ткани. В качестве тестовых моделей они выбрали стандартные линии человеческих клеток, способных к бесконечному делению. В частности, использовались клетки нейробластомы (SH-SY5Y) и обычные клетки эмбриональной почки человека (HEK293).

Инженерам предстояло решить сложную задачу: как визуально зафиксировать момент работы генетической памяти в клетке. Для этого они применили методы генной инженерии, создав стабильный репортерный комплекс. В геном клеток внедрили ген, отвечающий за выработку люциферазы — фермента, который при определенных условиях начинает излучать свет. Этот ген был напрямую подчинен фактору транскрипции CREB. Следовательно, как только клетка начинала процесс запоминания, она должна была светиться.

Но стандартная люцифераза имеет существенный недостаток для подобных экспериментов: она накапливается в клетке. Если фермент остается внутри, ученые не могут определить, работает ли ген прямо сейчас, или они видят остатки прошлой активности. Чтобы решить эту проблему, к гену добавили дестабилизирующую аминокислотную последовательность PEST. Она выполняет функцию сигнала для внутриклеточных систем утилизации: белок необходимо уничтожить сразу после того, как он произведен. Благодаря этому модифицированная люцифераза существует очень короткое время, и уровень свечения клетки в любой момент времени точно отражает текущую, сиюминутную активность генов памяти.

Протокол химического обучения

Поскольку обычные клетки не обладают синапсами и рецепторами для восприятия классических нейромедиаторов (таких как серотонин или дофамин), исследователи использовали химические аналоги. В питательную среду вводились форсколин и форболовый эфир (TPA). Эти вещества способны проникать сквозь клеточную мембрану и напрямую активировать внутриклеточные киназы PKA и PKC, искусственно имитируя мощный процесс обучения.

Эксперимент строился на строгом сравнении двух паттернов стимуляции.

Первой группе клеток назначили режим массированного обучения: на них воздействовали химическими реагентами непрерывно в течение 12 минут. Второй группе предложили режим интервального обучения: те же реагенты подавались четырьмя короткими импульсами по 3 минуты каждый, с перерывами по 10 минут между ними.

Суммарное время активного химического воздействия в обоих случаях было абсолютно идентичным и составляло ровно 12 минут. Разница заключалась исключительно в наличии временных пауз.

Кривая забывания на уровне ядра

Анализ активности клеток через 4 часа после начала эксперимента показал, что обе группы демонстрируют схожий уровень выработки люциферазы. И массированное, и интервальное воздействие успешно запустили первичную реакцию. Однако настоящая картина формирования долговременной памяти проявилась спустя сутки.

Через 24 часа после завершения стимуляции клетки, подвергшиеся непрерывному воздействию, практически вернулись к базовому состоянию. Их генетическая активность угасла, свечение прекратилось — они забыли полученный сигнал. В резком контрасте с ними, клетки из группы интервального воздействия продолжали демонстрировать устойчивую выработку люциферазы. Уровень транскрипции генов в них был почти в четыре раза выше, чем при непрерывном воздействии.

Более того, изолированные клетки эмбриональной почки продемонстрировали классические свойства кривой забывания Эббингауза: ритмичное распределение сигнала во времени существенно замедлило распад долговременной памяти.

Чтобы окончательно подтвердить, что эффект опирается именно на классические пути памяти, ученые повторили опыт с использованием специфических фармакологических ингибиторов — веществ U0126 и 666-15, которые избирательно блокируют работу белков ERK и CREB соответственно. Применение этих ингибиторов полностью стирало разницу между интервальным и массированным воздействием, подтверждая, что именно эта молекулярная связка отвечает за фиксацию временных интервалов.

Биохимия временных пауз

Почему клетка почки реагирует на паузы? Ответ кроется в кинетике ферментативных реакций.

При массированном, непрерывном химическом сигнале внутриклеточная система быстро достигает предела насыщения. Сигнальные белки фосфорилируются, но их дальнейшая передача в ядро не может происходить бесконечно. Возникает эффект адаптации: клетка перестает реагировать на раздражитель, так как ее рецепторные пути перегружены.

Интервальное воздействие обходит этот барьер. Во время 10-минутных пауз сигнал прерывается. Этого времени достаточно, чтобы активированный белок ERK успел транслоцироваться в ядро клетки, запустить фактор CREB и частично вернуться в исходное состояние. Таким образом, каждый следующий трехминутный импульс падает на уже подготовленную, но не перегруженную систему.

Исследование показало, что такая пульсирующая стимуляция создает петлю положительной обратной связи. Четыре коротких импульса с перерывами не только поддерживают длительную активность существующего белка CREB, но и стимулируют клетку увеличивать общий запас этого белка. Клетка физически адаптирует свой аппарат транскрипции под поступающий ритм.

Практическое и фундаментальное значение

Выводы этого исследования открывают новые перспективы для двух крупных направлений науки.

Первое направление — фармакология и медицина. Разработка препаратов для лечения когнитивных дефицитов (в том числе болезни Альцгеймера или возрастных нарушений памяти) исторически упиралась в сложность тестирования. Изучение влияния веществ на память требует работы с живыми животными или с хрупкими культурами первичных нейронов. Это делает процесс поиска новых лекарств крайне медленным и дорогостоящим. Открытие того факта, что базовые алгоритмы памяти работают в обычных, быстро делящихся клетках вроде HEK293, позволяет создать бесконечно масштабируемые системы для автоматизированного скрининга. Фармацевтические компании смогут тестировать тысячи соединений на простых клеточных линиях, наблюдая за тем, как они усиливают или ослабляют работу генов памяти.

Второе направление носит фундаментальный характер. Работа команды из Нью-Йоркского университета расширяет рамки концепции когнитивности. Способность извлекать закономерности из окружающей среды, различать временные интервалы и сохранять эту информацию в виде структурных изменений больше не может считаться прерогативой исключительно нервных систем.

Долговременная память базируется на универсальных химических механизмах, которые сформировались в живой природе задолго до появления первого мозга. Сложная нервная система человека не изобретала этот процесс с нуля. Она лишь взяла базовую химическую логику, доступную любой эукариотической клетке, и вывела ее на макроуровень через сеть синапсов. И тот факт, что интервальное обучение работает эффективнее непрерывной зубрежки, продиктован не столько устройством нашего разума, сколько законами ферментативной кинетики, по которым работают клетки всего нашего тела.

Источник: Nature Communications