Нейроны запоминают информацию в несколько этапов, постепенно изменяя структуру своих хромосом.

Мозг запоминает информацию, образуя новые нейронные цепи. Но нейроны, которые входят в такую цепь, выполняют в ней разные задачи. Среди них есть так называемые энграммные клетки, которые играют роль своеобразных ключей к тому или иному воспоминанию. Внешние и внутренние стимулы (то есть сигналы от органов чувств и наши собственные мысли и эмоции) оставляют в энграммных клетках какие-то молекулярные изменения, что-то вроде следа памяти. Эти изменения помогают клеткам активироваться, когда записанная информация в очередной раз понадобится мозгу: на энграммную клетку действует какой-то сигнал, и она благодаря сохранившемуся следу от прежнего раздражителя просыпается. (Иными словами, энграммные клетки реагируют на знакомые обстоятельства.)

Срез через мозг мыши. Гиппокамп, один из основных центров памяти – парная изогнутая структура в верхней части с нейронами, окрашенными зелёным, желтым и синим. (Фото: MIT)

Чтобы энхансер (красные отрезки) подействовал на свой ген (жёлтый и голубой отрезки), их нужно сблизить – тогда энхансер поможет сформироваться на ДНК белковому комплексу, считывающему информацию с гена. (Иллюстрация: Jon Cheff / Wikipedia) 

Энграммные клетки образуют сети, но соединены они друг с другом не напрямую, а через другие нейроны, которые активируются от энграммных клеток. Изменения в памяти, очевидно, зависят от того, как такие сети соединяются, перекрываются, разрастаются и т. д.

При этом интересно было бы узнать, какие именно изменения на уровне генов и молекулы происходят в энграммных клетках. Здесь речь идёт не только о том, чтобы под действием стимула укрепить соединение-синапс с другим нейроном. Энграммные клетки надолго удерживают соединения, то есть кратковременная память становится долговременной именно с их участием. С другой стороны, они должны вовремя «включать» своё воспоминание (то есть ту нейронную цепь, в которую они входят), когда чувствуют соответствующий импульс.

Очевидно, изменения в энграммных клетках связаны с активностью их генов. Нейробиологи неоднократно наблюдали, как на самых первых этапах формирования памяти в клетках активируются некоторые гены. Но потом эти ранние гены успокаивались, и оставалось непонятно, что происходит дальше.

Исследователи из Массачусетского технологического института пишут в Nature Neuroscience, что дальше идут несколько волн генетической активности, смысл которых в том, чтобы укрепить межнейронные синапсы и сделать их более быстрыми. Чтобы укрепить синапсы, нужны белки, а чтобы их насинтезировать, нужно привести в рабочее состояние соответствующие гены.

ДНК, в которой записаны гены, постоянно пребывает в комплексе с упаковочными белками гистонами. Белковая упаковка может быть очень плотной, и тогда гены недоступны для работы, или же, наоборот, белки-упаковщики делают ДНК открытой, и с неё можно считывать информацию. Состояние белковой упаковки зависит от химических модификаций на гистонах (эти модификации называют эпигенетическими).

Цель исследователей была в том, чтобы понять,  как меняется упаковка ДНК в хромосомах энграммных клеток при формировании памяти. Эксперименты ставили с мышами, у которых энграммные клетки были помечены так, чтобы за ними можно было наблюдать вживую, прямо в мозге мыши. Животных сажали в специальную клетку, по полу которой пробегал слабый электрический ток. Мыши начинали запоминать, что сидеть в клетке не очень приятно, и энграммные клетки в их мозге начинали флуоресцировать.

Поначалу авторы работы увидели, что множество участков ДНК в энграммных клетках распаковываются. Почти все эти участки были без белковых генов, но зато они заключали в себе так называемые энхансеры – регуляторные последовательности, которые стимулируют работу «настоящих» генов, то есть тех, которые кодируют белковые молекулы. Иными словами, поначалу клетка обходится теми генами, которые уже активны, и оставляет их активность генов той же, что и была – но готовится активировать гены сильнее.

Энхансеры часто находятся далеко от тех генов, которые они стимулируют. То есть чтобы был эффект, нить ДНК нужно изогнуть и сблизить энхансер и ген. Именно это видели в энграммных клетках через пять дней после того, как мышей учили бояться электроклетки: распакованные энхансеры сближались с генами. В таком виде они всё ещё не стимулировали активность генов. Но если мышь снова оказывалась в неприятной клетке, то вот тут энхансеры начинали работать – активность генов повышалась, и это были как раз те гены, которые укрепляют уже существующие синапсы и готовят нейрон сформировать новые межнейронные соединения.

Можно сказать, что энграммная клетка сначала ждёт, окажется ли новая информация существенной. На случай, если всё-таки окажется, у неё наготове есть молекулярные инструменты, которые усилят нервную цепь. Разные этапы усвоения информации видны в структуре хромосом, в поведении белков, которые связаны с хромосомной ДНК. Возможно, мы научимся в будущем по нашей воле управлять этими белками, чтобы заставлять память работать лучше, или наоборот, забывать то, что помнить не нужно.