Дендритные спины: Как память хранится в мозге
Более 100 лет назад лауреат Нобелевской премии Рамон-и-Кахаль впервые описал структуры, называемые дендритными отростками, расположенными на поверхности клеток мозга. С тех пор ученые пытаются понять, что такое дендритные отростки и как они функционируют в мозге. Даже с помощью новейших технологий исследовать дендритные отростки очень сложно, ведь они такие крошечные - один дендритный отросток составляет около 1/1000 миллиметра, а на поверхности большинства нервных клеток мозга их тысячи. Поскольку дендритные отростки могут быстро менять форму и размер, некоторые исследователи предположили, что именно в этих структурах мозга создаются и хранятся воспоминания. Эта гипотеза основана на сотнях исследований, показавших, что формирование воспоминаний приводит к тому, что дендритные отростки претерпевают значительные изменения в количестве, размере и форме. Аналогичным образом, предотвращение изменения дендритных отростков может остановить формирование воспоминаний. Однако нам предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем мы сможем определить, где именно в мозге хранятся воспоминания. Будущие исследования, возможно, помогут нам ответить на эту увлекательную загадку.
Около 130 лет назад были разработаны мощные микроскопы, которые позволили исследователям более детально рассмотреть клетки мозга, называемые нейронами. В то время испанский исследователь Рамон-и-Кахаль обнаружил, что мембрана, или внешняя оболочка, нейронов мозга не такая гладкая, как считали ученые ранее. Он обнаружил, что нейроны мозга имеют тысячи крошечных выростов, каждый длиной около 1/1000 миллиметра, которые теперь называются дендритными отростками. За эту работу Рамон-и-Кахаль получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1906 году.
С тех пор мы многое узнали о дендритных отростках. Большинство из того, что мы знаем, подтверждает идею о том, что эти отростки являются одним из основных мест в мозге, где создаются и хранятся воспоминания [ 1 ]. В этой статье мы объясним, поддержим и расширим эту гипотезу.
Что такое дендритные отростки?
Начнем с описания частей дендритного отростка. Дендритный корешок похож на гриб (рис. 1), с большой головкой и тонкой шейкой. Головка - это место, где два нейрона соединяются и обмениваются информацией, область, называемая синапсом. Головка содержит все компоненты, необходимые нейрону для получения информации от других клеток, включая молекулы на ее поверхности, называемые рецепторами, которые могут связываться с веществами, называемыми нейротрансмиттерами, передающими сигналы между нейронами; а также вещества, контролирующие количество рецепторов и их активность.
Шейка дендритного корешка может быть очень тонкой - около 1/10 толщины головки или примерно 1/2000 миллиметра. Одна из функций шейки - поддерживать связь между нейроном и другими клетками нейронной сети, регулируя движение веществ в головку и из нее. В результате такой регуляции нейрон меняет способ реагирования на раздражители.
По одной из оценок, существует 300-400 различных типов веществ, которые входят и выходят из дендритных отростков через их шейки, причем некоторые - за очень короткий промежуток времени. Движение некоторых из этих веществ можно контролировать с помощью молекулярных инструментов или определенных лекарств. Контролируя прохождение этих веществ, можно изменить размер и форму дендритного отростка. Также можно контролировать способность дендритных отростков посылать и принимать электрические сигналы, которые являются одним из способов коммуникации между нейронами, но из-за крошечного размера дендритных отростков существующие методы не позволяют напрямую и надежно измерить их электрическую активность. Из-за этой проблемы ученым сложно определить роль шейки в передаче сообщений от головки дендритного отростка к нейрону.
Кальций - одно из важных веществ, которое в небольших количествах содержится в дендритных отростках. Помимо многочисленных функций кальция в организме, и особенно в нейронах, он также отвечает за активацию ферментов (биологических молекул, облегчающих протекание реакций), которые инициируют передачу сообщений от одного нейрона к другому. Существуют сложные лабораторные инструменты, позволяющие точно измерить количество кальция в нейронах и в их дендритных отростках. Эти измерения помогут нам узнать, как взаимодействуют головной и шейный отделы позвоночника, и дадут достаточно точное представление о том, как дендритные отростки меняют свою форму и функционируют.
Роль дендритных отростков в обучении и памяти
Идея о том, что дендритные отростки связаны с обучением и памятью, была проверена в серии экспериментов, в которых отслеживались изменения в структуре дендритных отростков в мозге лабораторных крыс и в срезах мозга. В этих экспериментах исследователи рассматривали спины до и после воздействия электрической стимуляции. Электрическая стимуляция вызывала явление, называемое долговременным потенцированием (LTP), которое выражается в увеличении ответов нейрона на электрическую стимуляцию и возникает вдоль дендритного дерева (см. Рисунок 1). За последние 50 лет LTP изучалась в тысячах экспериментов, в которых рассматривался весь мозг, срезы мозга и клетки мозга, выращенные в лаборатории. В двух словах, эти эксперименты показали, что мозг использует LTP-подобный механизм для создания памяти, и если этот механизм отключается, память исчезает или не может быть получена. Таким образом, обнаруженные нами LTP в дендритных отростках после электрической стимуляции говорят о том, что отростки играют важную роль в синаптической пластичности. Аналогичным образом, снижение синаптической активности может привести к процессу долговременной депрессии (LTD), при котором неактивированные дендритные отростки могут сократиться и потерять своего синаптического партнера (например, рис. 2, нижняя линия).
Когда исследователи посмотрели на один дендритный корешок, подвергшийся электрической стимуляции, они обнаружили, что в течение доли секунды в корешок поступает огромное количество ионов кальция. В результате головка корешка может раздуться в 3-4 раза от своего первоначального размера. Сразу же после этого к рецепторам в головке позвоночника поступает поток нейромедиаторов, что усиливает реакцию позвоночника на электрическую стимуляцию (рис. 2). Это изменение на более поздней стадии, в процессе, который длится от нескольких минут до нескольких часов, приводит к образованию новых дендритных отростков. Эти новые отростки вызывают более прочную связь между клетками. Другими словами, в мозге обучение основано как на изменении силы реакции дендритных отростков, так и на образовании новых отростков. Таким образом, связь между клетками, составляющими память в нейронной сети, укрепляется.
Дендритные спины при старении и заболеваниях мозга
Другой путь к пониманию взаимосвязи между обучением и изменениями в дендритных отростках - посмотреть, как изменяются отростки у взрослого животного по мере старения. Как мы знаем, с возрастом у взрослых людей постепенно снижается память. Этот процесс не одинаков для всех: у одних пожилых людей наблюдается резкое снижение памяти, у других - лишь умеренное. Такое снижение функций мозга, в том числе памяти, известно как когнитивный спад. Подобное явление наблюдается и у лабораторных животных. Исследования выявили корреляцию между снижением когнитивных способностей и количеством дендритных спинов в мозге лабораторных крыс. То есть по мере того, как крысы теряют память, количество спинов в их нейронах также уменьшается. Это не означает, что уменьшение количества спинов приводит к снижению когнитивных способностей, но лишь указывает на наличие положительной корреляции между этими двумя наблюдениями. Для подтверждения и полного понимания этих выводов необходимы дальнейшие исследования.
Еще одна область, в которой наблюдается интересный прогресс в изучении дендритных спинов, - это заболевания нервной системы. В одном из первых исследований на эту тему ученые изучали нейроны в мозге пациентов с синдромом хрупкой Х [ 2 ], заболеванием, которое вызывает различную степень умственной отсталости, аутизм и нарушения коммуникации (среди прочего). Было обнаружено, что дендритные отростки не полностью развиваются в мозге людей с этим синдромом.
Хотя эти исследования направлены на понимание взаимосвязи между нарушениями в работе мозга и структурой дендритных спинов, они не могут объяснить процесс, который вызывает эти нарушения. Чтобы полностью понять связь между дефектами дендритных спинов и проблемами функционирования мозга, мы должны быть в состоянии устранить проблему, чего мы пока не имеем [ 3 ].
Резюме и выводы
Понимание структуры и функции дендритных отростков в мозге очень важно, но и очень сложно. Во-первых, крошечный размер дендритных отростков делает их труднодоступными, а в каждом нейроне таких отростков десятки тысяч. Во-вторых, существует множество видов дендритных отростков, и пока неясно, какова роль каждого из них. Кроме того, есть большой вопрос, на который пока нет ответа, - это вопрос о том, что такое "единица памяти" в мозге и как она работает: Хранятся ли воспоминания в одном дендритном отростке, в одной клетке или в группе клеток, связанных между собой в нейронную сеть? Исследователи смогут ответить на этот вопрос, только если смогут найти определенное воспоминание (скажем, о букве А) в мозге; повредив дендритный отросток/клетку/нейронную сеть, они увидят, теряется ли только это конкретное воспоминание, но не другие воспоминания или функции. Если мы сможем понять, как структура и функция отдельного дендритного отростка связана с функционированием всего мозга, возможно, мы также сможем восстанавливать отдельные отростки для восстановления памяти и лечения заболеваний, связанных с памятью, таких как болезнь Альцгеймера. Будущие поколения нейробиологов будут решать эти задачи - может быть, вы станете одним из них?
