Новая теория памяти – прорыв или утопия?

В конце февраля в журнале Frountiers in Molecular Biology вышла статья Бенжамина Гульта (Benjamin Goult), в которой он предложил свою теорию формирования памяти. Эта теория смогла объяснить, в какой форме находятся воспоминания в мозге, почему порой они исчезают, почему мы способны вспоминать за считанные секунды, где физически находится память. Об этой статье сразу же написали в целом ряде новостных изданий, назвав теорию Гульта революционной. Но действительно ли это так? 

Credit: Benjamin Goult

Бенжамин Гульт – профессор университета Кента в Великобритании. С 2006 года он занимался исследованиями белка талина у животных. Свою теорию он основывает на функционировании именно этого элемента, называя его “белком памяти”.

Прежде чем погрузиться в механистическую теорию памяти, попробуем в общих чертах вспомнить некоторые сведения из цитологии – науке, изучающей клетки.

Цитология

Наше тело и органы состоят из разного рода тканей, например, мышечной, нервной. Каждая ткань – это стабильная совокупность множества клеток, тех самых, которые мы активно изучали на уроках биологии в школе.

Клетки – основные «кирпичики» живого организма. Они состоят из ядра и целого ряда других органелл. У каждой клетки есть клеточный скелет – цитоскелет. Он необходим для того, чтобы поддерживать форму клетки, способствовать клеточной миграции, а также осуществлять транспортировку химических веществ внутри самой клетки. Один из основных компонентов цитоскелета – актин, формирующий в клеточной мембране множество нитей, играющих роль каркаса клетки.

Клетки, объединяясь в ткани, удерживаются вместе за счет связей, которые они образуют как друг с другом, так и со специальной структурой, в которой они “плавают” — внеклеточным матриксом.

Таким образом, внеклеточный матрикс – это своеобразный фундамент ткани, состоящий из ряда белковых молекул – гликопротеинов (например, коллагена) и протеогликанов,– за который цепляются клетки. Чтобы зацепиться за внеклеточный матрикс, клетка образует целый белковый комплекс, который можно сравнить с якорем.

Упрощенно представим себе, что наш якорь состоит из 3 белков. Один из белков – это интегрин. Он находится в клеточной мембране и соединяется с внеклеточным матриксом. Второй элемент – это актин, сам цитоскелет клетки. Соединительный элемент между ними – талин. Он упрочняет сцепление между актиновыми нитями и интегрином, который присоединяется к внеклеточному матриксу.

Credit: Focal Adhesion — YouTube

Белок памяти

Талин – белок-связка, который состоит из 13 спиральных белковых пучков. Каждый такой пучок может существовать в двух возможных видах: свернутом или развернутом. Если назвать свернутое состояние пучка – 0, а развернутое – 1, то получается, что один белок талина будет записывать некую информацию в виде двоичной последовательности, например: 0110 1111 0000 1.

Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021

Такая последовательность с помощью белка винкулина закрепляется и сохраняется на длительное время. Определенная последовательность спиральных пучков позволяет клетке сохранять гомеостаз в изменяющейся внешней среде. Стоит среде измениться, возникает механическое напряжение, которое талин улавливает, на которое он реагирует.

В результате он словно вычисляет новую формулу стабильности, преобразуя последовательность спиральных пучков. Эта новая последовательность вернет клетку в стабильное состояние. Таким образом, в талине происходит обработка информации из внешней среды, итогом которой становится новая двоичная последовательность.

На уровне нейронов

Каждый нейрон – это клетка. Поэтому все то, что было описано выше, применимо и к мозгу. Каждый синапс имеет привязку к внеклеточному матриксу, осуществляемую с помощью интегрина и талина. Если синапс активирован, пресинаптический нейрон осуществляет транспортировку нейромедиаторов в постсинаптический клетку. Этот процесс изменяет окружающую среду клетки, вызывая механические колебания, улавливаемые талином (ведь выброс нейромедиатора требует определенной механической силы). Белок “вычисляет” новую двоичную последовательность, которая возвращает его в стабильное состояние.

Полученные двоичные последовательности далее считываются лигандами (молекулами-«соединителями») в нейроне. В зависимости от того, свернуты ли пучки талина или развернуты, в процессе считывания участвуют разные лиганды.

Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021

По итогу считывания каждый синапс имеет свой набор лиганд, своеобразную лигандную маркировку. В зависимости от этой маркировки в нейроне начинают осуществляться глобальные структурные изменения: изменяется количество протеинов в синаптических окончаниях, синапс видоизменяется, увеличиваясь или уменьшаясь. Часть протеинов приходит в активный синапс из других пассивных нейронных терминалей.

Число используемых протеинов в клетке постоянное, оно регулируется на генетическом уровне, поэтому чтобы доставить дополнительный протеин в активный синапс, необходим его отток из других. Клетка организуется таким образом, чтобы более важный, активный синапс был в состоянии боеготовности и мог при необходимости передать сигнал другой клетке.

Таким образом, новая структура (конформация) талина изменяет сам нейрон, а также вероятность возникновения потенциала действия (путем регулирования порогового значения нейрона).

На уровне организма

По периметру синапса для каждого нейрона содержится несколько “якорей”, в каждом из которых есть своя последовательность из «нулей и единиц». Эту последовательность можно объединить в одну более длинную, которая будет кодировать текущее состояние конкретного синапса.

Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021

А так как синапсов в мозге около 100 триллионов, то получается, что все двоичные последовательности вместе взятые кодируют в мозге текущее состояние организма, которое зависит от внешней среды.

Гульт предполагает, что именно такая двоичная последовательность пучков в белке талине представляет собой основу сохранения информации в мозге. Такую последовательность он называет MeshCode.

По гипотезе ученого, нейронная сигнализация изменяет этот самый код, из-за чего происходит биологическое вычисление – поиск стабильного состояния белка. Конформация белка, в свою очередь, влияет на нейрон. И так далее.

Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021

Организация памяти

Но что же дальше? Если каждое наше воспоминание – это запись мгновенного состояния организма, то как в таком количестве информации мозг ориентируется? Почему мы вспоминаем порой за долю секунды, не теряя времени на поиск информации? Создается впечатление, что каждое воспоминание находится на своем четко определенном месте, и чтобы что-то вспомнить, мозг просто направляет энергию в нужные нейроны.

Гульт предполагает, что подобная клеточная организация памяти похожа на ячейки в жестком диске компьютера. Роль самого жесткого диска играют нейронные колонки коры головного мозга. Кортикальный модуль (или жесткий диск, если хотите), состоит из шести слоев нейронов, направленных перпендикулярно поверхности коры.

Credit: public domain

Каждая колонка содержит свою структуру и имеет более 10 000 синапсов, в которых есть несколько десятков или сотен белковых комплексов с талином. Такие колонки могут играть роль модулей памяти, позволяющих четко организовывать наши воспоминания, категоризировать их и хранить в определенном месте в зависимости от типа.

Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021

Гульт предполагает, что мозг имеет своеобразную карту воспоминаний, которая и позволяет ему быстро ориентироваться во всей информации. Ученый считает, что такая карта создается благодаря деятельности гиппокампа. Эта структура мозга принимает новую информацию, распределяет ее в свободные модули памяти и индексирует таким образом, чтобы в нужный момент эту информацию можно было легко обнаружить.

Как гиппокамп организует нашу память

Гиппокамп не сохраняет информацию, вместо этого он осуществляет ее первичную обработку и затем распределяет по модулям памяти. То есть он играет роль дирижера запоминания.

Основная работа гиппокампа, по мнению Гульта, происходит ночью, когда мы спим. В фазе медленного сна организм осуществляет обработку всей информации за день: через изменение белка талина, лигандного считывания, а также через изменения структуры нейронов.

Затем, в фазе быстрого сна, гиппокамп передает (электрохимически) получившийся код в свободные модули памяти в коре мозга. Именно поэтому в фазе быстрого сна наблюдается высокая активность мозга.

Такой цикл повторяется несколько раз за ночь, что позволяет записать всю информацию в коре и индексировать ее наиболее эффективным образом.

Ряд современных исследований также показал, что во сне мозг убирает ненужные воспоминания из гиппокампа, очищает его и подготавливает для приема новой информации в течение следующего дня.

Проблемы памяти

Почему порой человек не может вспомнить какое-либо событие? Это происходит из-за того, что нарушается координация механизма двоичного кодирования в талине. Например, из-за гипоксии или во время болезни Альцгеймера (вследствие негативного влияния тау-белка и бета-амилоидов).

Возрастные проблемы памяти также могут быть вызваны неполадками двоичного кодирования. Из-за того, что с возрастом теряется целостность нейронных связей, талин хуже реагирует на изменения окружающей межклеточной среды.

Критика

Революционная теория на самом деле продолжает множество работ в области молекулярной биологии памяти. Вклад в эту область внесли и Эрик Кандель, и Константин Анохин, и Лари Сквайр и многие другие. Благодаря вкладу этих ученых стало ясно, что память – это изменения в  синапсе, клетке и даже в экспрессии генов.

На текущий момент эта теория стремится описать множество процессов в мозге, тем самым представляя собой своеобразную “теорию всего”. Однако, зачастую, именно это не позволяет ученым увидеть полную картину реальности, так как с помощью одной теории или одного явления описывается абсолютно все (от памяти до сна).

Теория Гульта не объясняет, почему же в момент воспоминания большая активность наблюдается в префронтальной коре мозга, также не отвечает на вопрос, как без гиппокампа может формироваться несознательная моторная память (как в случае с Генри Молисоном). Помимо этого, она базируется лишь на одном механочувствительном белке – талине, в то время как их несколько, и каждый может подобным образом участвовать в формировании памяти.

Однако, данная теория – интересная попытка дать ответ на вопрос “что же такое воспоминание с точки зрения мозга”. И если мозг действительно запоминает бинарными комбинациями множества спиральных пучков белка талина, то в будущем этот подход позволит не только лечить проблемы памяти, но и сохранять память личности вне самого человека, на внешних информационных носителях.

Текст: Никита Отставнов

Goult, B. T. (2021). The Mechanical Basis of Memory – the MeshCODE Theory. Frontiers in Molecular Neuroscience, 14, 1.

https://doi.org/10.3389/fnmol.2021.592951