03.02.2015

Как мало спать и иметь хорошую память

Многие, наверное, замечали, что дефицит сна приводит к ухудшению памяти. В лаборатории Теда Абеля в Пенсильванском университете занимается изучением молекулярных механизмов этой проблемы. Недавно в The Journal of Neuroscience вышла работа сотрудников этой лаборатории в соавторстве с нидерландскими и немецкими учеными. В работе показано, что повышение концентрации единственной молекулы в определенных нейронах гиппокампа отменяет этот эффект. С повышенной концентрацией этой молекулы – циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) – мыши, испытывающие дефицит сна, не испытывают проблем с памятью.

Гиппокамп – область мозга, участвующая, в том числе, в формировании памяти. Во-первых, в гиппокампе происходит консолидация памяти - превращение краткосрочной в долгосрочную. Существует теория, что этот процесс происходит как раз во время сна. Во-вторых, гиппокамп участвует в ориентации в пространстве и в формировании пространственной памяти. За исследования в этой области была вручена Нобелевская премия 2014 года.

Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) относится к так называемым вторичным посредникам. Жизнь клеток в организме должна быть скоординирована. Для этого соседние клетки могут обмениваться сигналами, а организм посылать сообщение сразу большому количеству клеток в разных своих частях. Сигналы передаются с помощью самых разных сигнальных молекул, многие из которых – это различные гормоны. На поверхности клеток находятся белковые молекулы – рецепторы. Набор рецепторов на поверхности каждой клетки определяет, к каким именно сигналам будет чувствительна клетка. Когда клетка принимает сигнал из окружающего мира, она должна запустить внутри соответствующие процессы. Но для запуска процессов сигнал должен проникнуть внутрь клетки, а рецепторы многих гормонов расположены на внешней клеточной мембране. Тут на сцену и выходят вторичные посредники. За исследование механизма действия гормона эпинефрина через вторичных посредников была вручена Нобелевская премия в 1971 году.

Раньше уже было показано, что активность цАМФ может иметь отношение к консолидации памяти. Во-первых, ученые обнаружили, что активность цАМФ сигналов в нейронах гиппокампа возрастает в ночное время. Во-вторых, оказалось, что при дефиците сна концентрация и активность белка, утилизирующего цАМФ, вырастала, а концентрация самого цАМФ падала. При этом оставалось непонятным, связаны ли явления, происходящие в гиппокампе, с ухудшением памяти и если да, то как? В частности, какие именно клетки гиппокампа ответственны за наблюдаемый эффект?

Для ответа на эти вопросы надо было разработать способ увеличивать уровень цАМФ в гиппокампе в клетках определенного типа. Сотрудничающие с цАМФ рецепторы в гиппокампе есть на поверхности трех типов клеток: в возбуждающих нейронах, в интернейронах и в клетках глии – вспомогательных клетках, не участвующих в проведении нервных импульсов.

Удобный способ отрегулировать что-нибудь очень точно у одного вида – это воспользоваться системой, позаимствованной у другого вида. Это позволит избежать непредвиденных взаимодействий. Позаимствованный у дрозофилы и встроенный в мышиные клетки рецептор не будет активироваться мышиными гормонами и не станет запускать в клетках никакого другого процесса, кроме синтеза цАМФ. цАМФ как вторичный посредник как раз довольно универсален и присутствует у самых разных видов. Именно так и поступили авторы работы. Они воспользовались октопамином и его рецептором, присутствующим у дрозофил. Для того, чтобы рецептор появился только в возбуждающих нейронах, кодирующий его ген был помещен под контроль промотора (не кодирующего белок регуляторного элемента, запускающего синтез соответствующей РНК), специфического для этого типа клеток. В качестве такого промотора был выбран промотор CaMKIIα (Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IIα). CaMKII – важный регуляторный белок, принимающий участие в процессах обучения и формирования памяти. Нарушения его активности связано, например, с болезнью Альцгеймера, а на клеточном уровне патологические процессы болезни Альцгеймера как раз и связаны с гиппокампом и возбуждающими нейронами.

Эта генетическая конструкция была упакована в аденоассоциированные вирусы. Вирусы часто применяются современными учеными для генетической модификации части клеток организма. Методика быстро эволюционирует по направлению к более безопасным вирусам – таким, которые могли бы заражать клетки, встраивать свой геном в их, но не могли бы размножаться и наносить вред организму.

Аденоассоциированные вирусы считаются наиболее безопасными (хотя и не самыми эффективными, но безопасность – превыше всего). Даже не будучи специально модифицированными в лаборатории, они не могут размножаться без одновременной инфекции аденовирусами и редко встраивают свой геном в хозяйский – вирусная ДНК существует отдельно, снижая риск мутагенеза и последующего возникновения опухолей.

Вирусы вводили в гиппокамп мышей, и через некоторое время на поверхности возбуждающих нейронов появлялись дрозофильи рецепторы к октопамину. После введения таким мышам октопамина внутри этих нейронов повышался уровень цАМФ.

Мыши были поделены на две группы: с контрольным вирусом, кодирующим белок, придающий клеткам зеленый цвет, и с вирусом, кодирующим рецептор.

Затем начиналось тестирование. Мышей выпускали по нескольку раз изучать площадку, на которой были расставлены предметы: стеклянная бутылка, металлическая башенка и пластиковый цилиндр. После изучения площадки с предметами часть мышей не беспокоили, а части не давали спать в течение пяти часов. Всем вводили октопамин. Через пять часов мышей выпускали на ту же площадку, но иногда предметы стояли на своих старых местах, а иногда один из них оказывался переставлен. В случаях, когда предметы оставались на своих местах, разницы между группами не наблюдалось.

Проявилась разница в эксперименте с перестановкой предмета. Спокойно спавшие мыши с контрольным вирусом интересовались в основном переставленным предметом. Контрольные мыши с дефицитом сна интересовались всеми предметами одинаково, тем самым демонстрируя, что они не помнят исходной картины. Мыши же с экспериментальным вирусом и, соответственно, искусственно повышенным количеством цАМФ интересовались переставленным объектом, даже несмотря на дефицит сна.

Это наглядно демонстрирует, что повышение уровня цАМФ способно компенсировать дефицит сна, по крайней мере, исправить негативное влияние дефицита сна на память. Миллионы людей каждый день спят недостаточно. Уже сейчас понятно, что у дефицита сна есть много неприятных последствий - от ухудшения памяти и концентрации внимания до серьезных депрессий или ожирения. Молекулярные механизмы этого, однако, не ясны. Есть надежда, что выяснение этих механизмов позволит бороться с последствиями дефицита сна и даже предотвращать их.

Александра Брутер

Источники:

1. polit.ru