Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 217: технологии стирания памяти, часть 1

Что такое CALI?

В ноябрьском выпуске журнала Science вышла статья ученых из Японии. Статья настолько насыщенная, что для того, чтобы пересказать ее содержание, понадобилось разделить ее на две самостоятельные новости. В первой части мы расскажем  о том, как ученые применили технологию под названием CALI (Chromophore-assisted light inactivation) для стирания эпизодической памяти. Объясним, как эта технология работает на уровне нейронов. 

Credit: biovariance.com


Немного теории — цитология

Если бы существовала технология, которая способна разрушить наши негативные воспоминания! Стереть их из мозга или хотя бы временно затормозить их влияние на наше повседневное поведение. Представьте, насколько проще было бы жить? 

На самом деле такие технологии уже существуют. Некоторые из них уменьшают активность помеченных синаптических окончаний, участвующих в формировании воспоминаний (AS-PARac), другие светом воздействуют на активность пост-синаптических AMPA рецепторов, третьи оказывают влияние на гидролиз гуанозинтрифосфатов (GTP). Ученые из Японии предложили еще один метод, который позволяет разъединять белковые комплексы, ответственные за структурные изменения в синапсах (именуемые долговременной потенциацией). 

CALI — хромофорная инактивация светом. Эта технология отличается высокой пространственной точностью и быстродействием. В основе этого метода лежит интенсивное освещение конкретных молекул, из-за чего те начинают выделять избыточное количество короткоживущих активных форм кислорода, «отключающих» близлежащие белковые комплексы. 

Credit: media.springernature.com


В качестве цели, на которую воздействовал свет, ученые выбрали гибридный белок CFL-SN. Как на картинке выше, такой гибридный белок — это сочетание несколько белков, которые в совокупности способны воспринимать свет. Первая часть этого комплекса, называется кофилин (если быть точнее, кофилин-1). Это белок, который связывает уже известный нам актин — элемент цитоскелета нейрона. Если вы еще не знакомы с теорией Гульта о значении актина в формировании памяти, рекомендуем прочитать эту статью

Актин в большом количестве находится в отростках дендритов — шипиках (spine). Шипики являются чем-то вроде дополнительных USB-портов для нейрона, в которые входит информация. Как правило, чем больше таких отростков, тем более активен нейрон, тем больше синаптических окончаний он имеет. 

Credit: upload.wikimedia.org


В тот момент, когда синапс “записывает” некоторое событие, актин, находящийся в дендритных шипиках, полимеризуется: его структура изменяется. Такому изменению способствует кофилин. В зависимости от своего строения (а конкретнее: от плотности филаментов внутри кофилина), он может либо тормозить полимеризацию актина, либо соединяться с ним и образовывать сложный белковый комплекс кофилактин, который позволят стабилизировать актин. Название “кофилактин” само по себе намекает на связь двух белков — КОФИЛина и АКТИНа. 

Считается, что формирование кофилактина — это одна из стадий “записывания” памяти в синаптических окончаниях. Научно такой процесс записывания называется “долговременной потенциаций” и связан он с тем, что две клетки, между которыми образуется синапс, начинают интенсивнее общаться друг с другом через этот самый синапс. А для этого в синапсе протекают структурные изменения под влиянием перестройки актина. 

Но вернемся к гибридному белку CFL-SN. С первой частью мы разобрались. CFL — это сокращение от кофилина. А вот вторая часть — это искусственный белок, который соединяется с кофилином: он называется SuperNova. Его вводят в мозг мыши и таким образом создают химическую структуру, которая может воспринимать свет, индуцируемый технологией CALI. Как только свет воспринят, в нейроне появляется активный кислород, который нарушает образование кофилактина и стабилизацию актина. Все это приводит к тому, что энграмма памяти не формируется. 

Действительно ли технология CALI работает?

В первой серии экспериментов ученые хотели проверить, работает ли технология CALI так, как предполагает вышеописанная теория. 

Для этого ученые добавили в нейроны мыши еще ряд элементов, необходимых для маркировки дендритных шипиков. Это позволяло отслеживать их изменения в течение времени. 

После этого ученые обучали нейрональную структуру. Событием, которое запускало долговременную потенциацию, служило воздействие на белки нейрона двухфотонных лазерным микроскопом: по сути к нейрону направляли два пучка фотонов, которые одновременно “впитывались” и вызывали структурные изменения в шипиках. 

Ученые обнаружили, что после такого воздействия в шипиках аккумулируется кофилин, после чего увеличивается объем самого шипика. Но если через некоторое время шипик стимулировать с помощью технологии CALI, то долговременная потенциация прекращается. 

Credit: Goto et al / Science 2021


При долговременной потенциации актин стабилизируется, из-за чего уменьшается его ток в дендритных шипиках. Ученые предположили, что это происходит как следствие увеличения количества кофилина, который вместе с актином образует кофилактин, как мы отмечали выше. 

Чтобы проверить эту идею, ученые стимулировали с помощью CALI дендритные шипики, в которых происходила долговременная потенциация. С помощью дополнительного химического маркера (GFP — green fluorescent protein) они смогли обнаружить, что ток актина после стимуляции светом был восстановлен (на графике: CFL-GFP: CALI). А объем дендритного шипика возвращался к исходному уровню. 

Credit: Goto et al / Science 2021


Помимо этого ученые обнаружили, что есть временные рамки, когда стимуляция с помощью CALI оказывает эффект. Вернуть объем дендритных шипиков удавалось при стимуляции через 10 и 30 минут после начала потенциации. Но если воздействовать через час или за минуту до потенциации — эффекта от CALI не будет. 

Credit: Goto et al / Science 2021


Чтобы проверить точность технологии CALI, то есть ответить на вопрос, воздействует ли CALI только на нейроны, где есть комплекс CFL-SN, или же влияет на все нейроны одновременно, ученые воздействовали на клетки высокочастотным световым мерцанием, через 10 минут применяли CALI и замеряли постсинаптический потенциал. 

Они выяснили, что в тех нейронах, в которых начиналась потенциация, после воздействия CALI постсинаптический потенциал снижался. В тех, где потенциации не возникало (то есть в нейронах, которые не участвовали в образовании следа памяти), изменений в потенциале не наблюдалось. Как видно из графика ниже, объем этих шипиков никак не изменялся при воздействии CALI. 

Credit: Goto et al / Science 2021


Все это доказало, что технология CALI может успешно применяться для стирания следов памяти. Она имеет конкретные временные рамки, воздействует только на определенные нейроны (содержащие комплекс CFL-SN) и успешно обращает потенциацию, возвращая дендритный шипик к исходному размеру. Важно отметить, что при этом в будущем дендритный шипик сохранял способность к потенциации. То есть эффект от CALI не убивает возможность нейрона к обучению, а лишь стирает запись о текущем событии. 

Во второй части статьи ученые применили технологию CALI чтобы понять, как формируется эпизодическая память у мышей. Об этом мы расскажем во второй части


Текст: Никита Отставнов

Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation by Akihiro Goto, et al in Science. Published November 2021. 

10.1126/science.abj9195