Эти результаты, опубликованные сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, дают невиданное ранее представление об одной из самых универсальных и основных клеточных функций мозга. Они также предлагают новые мишени против нейродегенеративных заболеваний, характеризующихся потерей памяти, в первую очередь болезни Альцгеймера.
"Память – это то, что делает нас такими, какие мы есть.
Он пронизывает нашу жизнь и является основополагающим для самого нашего существования », – сказал Эрик Кандел, доктор медицины, соавтор исследования, содиректор Columbia’s Mortimer B. Цукерман, Институт мозгового поведения, профессор университета и Кавли, профессор науки о мозге в Колумбии. "Но по своей сути память – это биологический процесс, мало чем отличающийся от сердцебиения. С помощью сегодняшнего исследования мы пролили новый свет на молекулярные основы способности нашего мозга создавать, сохранять и вспоминать воспоминания в течение нашей жизни."
Все воспоминания, даже мимолетные, создаются, когда крошечные ветви, называемые аксонами, которые отходят от нейронов, соединяются друг с другом.
Эти точки соединения, называемые синапсами, похожи на рукопожатия: они могут быть сильными или слабыми. Когда они ослабевают, воспоминания исчезают.
Но когда они укрепляются, воспоминания могут выдержать испытание временем. Недавно исследователи сообщили, что усиление синапсов вызывает заметные изменения в анатомии нейронов.
В 2015 г. Кандел и его команда определили у мышей белок CPEB3, который играет решающую роль в этом анатомическом изменении. Они обнаружили, что CPEB3 присутствует в синапсах мозга, когда воспоминания формируются и вызываются.
Когда исследователи предотвратили выработку CPEB3 у мышей, животные смогли сформировать новую память, но не смогли сохранить ее нетронутой.
«Без CPEB3 синаптические связи разрушились, и память исчезла», – сказала Луана Фиорити, доктор философии, руководитель лаборатории в Институте фармакологических исследований Марио Негри, помощник научного сотрудника телемарафона в Институте телемарафона Дульбекко в Милане, Италия, и младший научный сотрудник в творческом отпуске.
Кандел лаборатория. Доктор.
Фиорити – соавтор статьи. «Обнаружение точной функции CPEB3 внутри нейронов стало толчком для сегодняшнего исследования."
В гиппокампе, центре памяти мозга, CPEB3 вырабатывается через регулярные промежутки времени в центрах нейронов. В сегодняшнем исследовании команда Колумбийского университета обнаружила, что после производства CPEB3 он переносится в P-тела, изолирующие камеры, которые поддерживают CPEB3 в спящем состоянии и готовы к использованию.
«Тела P не имеют физического барьера, такого как мембрана, для содержания CPEB3», – сказал Лензи Форд, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Кандела и соавтор статьи. "Вместо этого тела P плотнее, чем их окружение. Эта разница в плотности удерживает тела P вместе, создавая своего рода биофизическое силовое поле, которое удерживает CPEB3 внутри и вдали от других частей клетки."
Исследователи обнаружили, что, будучи нагруженными спящим CPEB3, P-тела покидают центр нейрона и перемещаются по его ветвям к синапсам. Когда животное получает опыт и начинает формировать воспоминания, тела Р растворяются.
CPEB3 выпускается в синапсы, чтобы помочь создать эту память. Со временем, по мере высвобождения большего количества CPEB3, эти синапсы усиливаются.
Это изменяет анатомию нейронов и, как следствие, стабилизирует память.
«Наши результаты подчеркивают центральную роль, которую синтез белка играет в поддержании памяти», – сказал д-р.
Кандел, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, чья новаторская работа на молекулярной основе памяти принесла ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2000 года. "И хотя, вероятно, существуют дополнительные процессы, которые нам еще предстоит обнаружить, это исследование, в котором были задействованы современные биохимические, генетические и микроскопические инструменты, раскрывает элегантный биологический механизм памяти с непревзойденной детальностью."
Помимо того, что это исследование раскрывает о памяти, оно также дает представление о нейродегенеративных заболеваниях, характеризующихся потерей памяти. Из-за продемонстрированной важности CPEB3 для хранения в памяти, а также из-за того, что версия CPEB3 также присутствует в человеческом мозгу, этот белок представляет собой многообещающую область внимания.
«Наука о том, как синапсы формируются и укрепляются с течением времени, важна для расшифровки любого расстройства, при котором синапсы – и связанные с ними воспоминания – деградируют и умирают, например, болезнь Альцгеймера», – сказал доктор. Фиорити. «Продолжая развивать это понимание, мы могли бы однажды разработать полезные методы для повышения CPEB3 таким образом, чтобы предотвратить синаптическую деградацию, тем самым замедляя потерю памяти."
Другая область внимания, по словам команды Колумбийского университета, связана с белком SUMO, который, как выяснилось, играет центральную роль в этом процессе.
«Одно из наших самых интригующих открытий заключается в том, что CPEB3 не перемещается в Р-тельца сам по себе; другой белок, называемый SUMO, направляет его туда», – сказал д-р.
Форд. "Этот процесс, называемый SUMOylation, представляет собой еще одно многообещающее направление для дальнейшего изучения памяти – как в отношении здоровья, так и болезней."
Это исследование было поддержано Медицинским институтом Говарда Хьюза и Фондом исследований мозга Ирэн и Эрика Саймона.