Как обучение влияет на гены мозга

Влияние обучения на молекулярную кухню мозга может быть разным: при запоминании новой информации некоторые гены начинают работать активнее, другие же, наоборот, отключаются.

Когда говорят о молекулярных процессах, обеспечивающих запись информации в мозг, то обычно имеют в виду, что в нервных клетках усиливается активность некоторых генов. Известно, что при формировании памяти устанавливаются новые связи между нейронами, появляются новые синапсы, благодаря чему складываются дополнительные нейронные цепочки – материальная база памяти. Чтобы синапс появился, нужно, чтобы появились специальные белки, так что сам собой напрашивается вывод, что и гены должны работать активнее – это подтверждено многочисленными экспериментами.

Однако всё может быть и наоборот: исследователи из Сеульского национального университета обнаружили, что в мышином гиппокампе, одном из главных мозговых центров памяти, при записи памяти происходит затухание генетической активности. Нейробиологи вырабатывали у животных привычку бояться определённого окружения: когда мышь оказывалась в специальной клетке, её били током; потом, когда она снова попадала в эту клетку, страх «включался» уже сам, без всяких стимулов – иными словами, срабатывали механизмы запоминания и обучения.

Чтобы узнать, что происходило в молекулярной кухне мозга, у животных анализировали набор и количество РНК в клетках гиппокампа, причём не просто РНК, а именно тех, которые были вовлечены в производство белка, на которых сидели белок-синтезирующие машины – рибосомы. И молекулы анализировали не вообще после того, как мышь запомнила, чего нужно бояться, а спустя 5, 10, 30 минут и через четыре часа после «сеансов страха» – такой эксперимент позволял увидеть динамику молекулярных изменений.

Активность гена можно оценить по двум процессам, по транскрипции и по трансляции. На первом этапе, на этапе транскрипции с ДНК снимается РНК-копия, соответственно, на активных генах РНК синтезируется больше, на неактивных – меньше. На втором этапе, этапе трансляции, на РНК синтезируются молекулы белка: на активных РНК синтезируется больше белка, на неактивных – меньше (то есть здесь, строго говоря, имеется в виду активность РНК). В статье в Science авторы пишут, что им удалось «поймать» 104 гена, чья активность в разных временных точках варьировала довольно сильно на уровне транскрипции или трансляции. В течение первых 10 минут синтез новых РНК на генах оставался прежним, их не становилось ни больше, ни меньше (то есть интенсивность транскрипции не менялась), чего нельзя было сказать про трансляцию, то есть про синтез белковых молекул на РНК – здесь изменения наступали немедленно. (Что не удивительно: синтез белка более оперативно, чем синтез РНК, реагирует на меняющиеся условия среды и потребности клетки.) Вообще же транскрипция догоняла трансляцию на 30 минуте после сеанса обучения.

Главным же сюрпризом было то, в чём именно состояли изменения: активность многих генов падала. Уже спустя пять минут замедлялся темп синтеза белков, кодируемых более чем половиной генов – из тех, которых коснулись изменения. Через полчаса замолкали 31 вид РНК из 42, через четыре часа трансляция останавливалась у 48 из 55. Торможение было стабильным, в том смысле, что те РНК, на которых синтез белка прекратился через полчаса, продолжали молчать и дальше.

Авторы работы отмечают, что активность более чем половины таких генов зависела от молекулы, называемого альфа-рецептором эстрогена ESR1: чем меньше было синтезировалось, тем меньше было всех остальных. Если же уровень ESR1 искусственно повышали, это соответствующим образом отражалось как на динамике прочих молекул, так и на способности мышей запоминать, чего им следует бояться. Похожий эффект был и с геном Nrsn1: если синтез белка на РНК гена Nrsn1 стимулировали, животные хуже обучались. То есть исследователи не просто обнаружили некий странный молекулярный эффект, но и соотнесли его с когнитивными изменениями.

Почему для формирования памяти нужно отключить синтез довольно большого числа белков, пока никто не знает, однако сам факт настолько примечательный, что, очевидно, биологи сделают всё, чтобы как можно быстрее узнать функции этих генов. По одной из версий, их работа состоит в том, чтобы не давать мозгу запоминать абсолютно всё, иными словами, они играют роль предохранителя, защищающего нас от информационной перегрузки. И когда появляется необходимость действительно что-то запомнить, такие гены нужно отключить.

По материалам The Scientist.