Як ми мислимо та як виникають спогади?

Як виникають спогади та формується пам’ять?

Звичайно, всі ми знаємо, що всі процеси мислення проходять у головному мозку за рахунок роботи численних клітин мозку – нейронів. Однак розуміння того, як саме працюють наші нейрони, як вони формують пам’ять, підтримують мислення, навчання, оцінку ситуації та вибір різних варіантів рішень та інших розумових функцій, все ще формується та потребує вивчення. Процес нашого вивчення та усвідомлення зовнішнього світу починається з того, що сенсорні сигнали від наших органів чуття надходять у кору головного мозку, де вони обробляються та «записуються» або кодуються певним чином. Після цього ці сигнали передаються в структуру головного мозку, яка називається гіпокамп (від грецького «морський коник», який ця структура нагадує за формою). За даними наукових досліджень, саме в гіпокампі і зберігаються нові спогади і формується наша пам’ять.

Якщо сигнали, що надходять до гіпокампу сильні і часто повторюються, то вони формують довготривалі спогади, які передаються назад до кори нашого головного мозку для подальшого зберігання. При цьому гіпокамп формує і передає нові спогади без впливу на ранні спогади з далекого минулого.

Наш мозок складається з мільярдів нервових клітин – нейронів.

Нейрони обмінюються сигналами друг з одним через спеціальні контакти – синапси (від грецького слова «зв’язок»).

Всі разом пов’язані нейрони утворюють дуже складну мережу, яка відповідає за функції головного мозку. Синаптичні зв’язки між нейронами можуть змінюватись з часом. Це називається “синаптичною пластичністю” і означає зміну сили хімічного або електричного сигналу в синапс між нейронами.

Синаптична пластичність слідує правилу «або використовуй зв’язок, або втратиш його». За цим правилом синапси, що часто використовуються – посилюються з часом, а ті, що використовуються рідко – віддаляються. Дослідження показують, що синаптична пластичність є основою нашої пам’яті, збереження спогадів та здатності до навчання та розумового розвитку. Нові спогади формуються із заснуванням нових синаптичних зв’язків між нейронами чи з допомогою посилення існуючих.

Якщо певний спогад потрібний рідко, не затребуваний взагалі і більше не потрібний, то відповідний синапс слабшає і поступово зникає.

Рівень сили синапсу визначається мірою збудження постсинаптичного нейрона (який приймає сигнал). Високочастотні сигнали, при отриманні нового досвіду, і сигнали, що повторюються, при навчанні та вивченні, зміцнюють синаптичні зв’язки між нейронами. Це явище отримало назву «довготривала потенціація», яка вважається клітинною основою для формування пам’яті.

Довготривала потенціація відбувається в синапсах всіх нейронів головного мозку, але найбільш вивченими на сьогодні є глутаматні синапси нейронів гіпокампу. Коли глутаматергічний нейрон отримує сигнал, то електричний імпульс передається в синапс через аксон (від грецького «вісь», відросток нейрона, що передає сигнали в синапси).

Цей імпульс запускає вивільнення нейротрансмітера (біологічно активні хімічні речовини, за допомогою яких здійснюється передача електрохімічного імпульсу від нервової клітини через синаптичний простір між нейронами) – глутамату у міжсинаптичний простір.

Після цього молекули глутамату (GLU) зв’язуються зі своїми рецепторами на постсинаптичній мембрані іншого нейрона, які бувають 2-х типів: АМРА-рецептор та NMDA-рецептор (N-метил-D-аспартат).

Ці рецептори є «воротами» для іонних каналів, які відкривають або закривають доступ позитивних іонів кальцію Ca++ і натрію Na+ всередину постсинаптичного нейрона.

Якщо сигнал від пресинаптичного нейрона слабкий, то кількість вивільненого в синапс нейротрансмітера глутамату маленька і в цьому випадку відкриваються тільки рецептори першого типу – AMPA, які пропускають внутрішньо постсинаптичного нейрона іони натрію Na + і викликає слабку деполяризацію мембрани постсинаптичного нейрона.

При цьому другий тип рецептора NMDA НЕ відкриває іонний канал, який блокований іонами магнію Mg++. Коли пресинаптичний нейрон стимулюється сильним або повторюваним сигналом, то міжсинаптичний простір виділяється велика кількість глутамату. При цьому рецептори першого типу AMPA відкривають іонні канали, дозволяючи пройти всередину постсинаптичного нейрона більшу кількість іонів натрію Na+, що спричиняє сильнішу деполяризацію мембрани цього нейрона: що призводить до видавлювання іонів магнію Mg++ з іонних каналів з другим типом рецептора NMDA. Відкриті NMDA канали дозволяють пройти всередину постсинаптичного нейрона як іонам натрію Na+, а й іонам кальцію Ca++.

Іони кальцію Ca++ є основним чинником запуску довгострокового потенціювання. Є два виражені прояви довгострокового потенціювання. Перший тип довгострокового потенціювання називається раннім довгостроковим потенціюванням, яке триває кілька годин після отримання сигналу і проявляється через активацію спеціальних короткодіючих ферментів – кіназ.

Ці ферменти, кінази стимулюють транспорт більшої кількості іонів натрію Na+ всередину постсинаптичного нейрона, а також стимулюють переміщення більшої кількості рецепторів AMPA на поверхню мембрани нейрона.

Це є фізіологічною основою для формування КОРОТКОТЕРМІНОВОЇ ПАМ’ЯТІ, яка зберігається лише протягом декількох годин. При пізньому довгостроковому потенціюванні також запускається механізм активації та синтезу ферментів кіназ, які стимулюють утворення нових синапсів між нейронами та підвищення синаптичної щільності.

Цей процес є біохімічною та фізіологічною основою для формування ДОВГОСТРОКОВОЇ ПАМ’ЯТІ.

ЩО РЕГУЛЮЄ НАШУ ПАМ’ЯТЬ, НАВЧАННЯ І МИСЛЕННЯ? З моменту відкриття хімічної природи синаптичної передачі роль нейротрансмітерів у формуванні та відновленні спогадів була предметом інтенсивних наукових досліджень. На сьогодні відкрито та описано багато видів нейротрансмітерів — біологічно активних хімічних речовин, за допомогою яких здійснюється передача електрохімічного імпульсу через синаптичний простір між нейронами, від нейронів до м’язової тканини та від нейронів клітин ендокринних залоз. І завдання розкриття загальних принципів, що описують участь систем нейротрансмітерів у пам’яті, залишається надзвичайно складним. Але це завдання надзвичайно важливе, оскільки, розуміння молекулярних і клітинних механізмів навчання та пам’яті допомагає, з одного боку, допомогти у розробці ефективних лікарських засобів підтримки чи стимулювання пам’яті, навчання і мислення. А з іншого боку, розуміння ролі нейротрансмітерів у регулюванні пам’яті та мислення допомагають визначити заходи профілактики, щоб уповільнити зниження когнітивних здібностей із віком або при захворюваннях головного мозку. В результаті наукових досліджень роль деяких нейротрансмітерів вже встановлена та описана з певною часткою точності. ГЛУТАМАТ Роль глутамату у формуванні спогадів та довгостроковому потенціювання нейронів була вже розглянута вище. Вплив глутамату на формуванні пам’яті була встановлена в експериментах з блокування вивільнення глутамату у тварин, при якому тварини втрачали здатність до запам’ятовування та навчання. Роль глутамату в довгостроковому потенціюванні синаптичних зв’язків нейронів була показана в дослідженнях клітинних структур, де було визначено, що NMDA рецептори глутамату відповідають за ініціювання довгострокового потенціювання, тобто. за нові спогади, а AMPA рецептори глутамату відповідають підтримку довгострокового потенціювання, тобто. пам’ять. Ці висновки було підтверджено у дослідженнях на тваринах. У людей було показано, що дегенерація глутаматних синапсів у корі головного мозку та гіпокампі пов’язана з розвитком амнезії (втрати пам’яті) та розвитком хвороби Альцгеймера. Всі ці дослідження вказують на найважливішу роль глутамату та глутаматних синапсів гіпокампу у формуванні довготривалих спогадів. АЦЕТИЛХОЛІН Роль ацетилхоліну у навчанні та формуванні пам’яті була встановлена досить давно. Ацетилхолін – важливий нейромедіатор нервової системи. Він виявлений як у периферичній, так і в центральній нервовій системах, а також у серцево-судинній та нервово-м’язовій системах. Ацетилхолін забезпечує передачу сигналу від нервів у м’яз, забезпечуючи управління м’язовими скороченнями. Але, крім цього, ацетилхолін відіграє важливу роль у формуванні пам’яті. Дія ацетилхолінів у м’язах та нервовій тканині йде через різні механізми. В організмі людини було виявлено 2 основних типи рецепторів ацетилхоліну. Це, так звані, мускаринові та нікотинові рецептори. Мускаринові рецептори активуються і ацетилхоліном, і мускарином, але блокуються атропіном. Мускаринові рецептори є як у центральній, так і в периферичній нервовій системі, а також у легенях, серці, потових залозах та шлунково-кишковому тракті. Інша група рецепторів – нікотинові рецептори активуються нікотином та ацетилхоліном. В основному вони виявляються в м’язах та нервових клітинах центральної нервової системи. Вчені встановили, що ацетилхолін бере участь у формуванні пам’яті і в процесі навчання спостерігаючи за дією скополаміну – алкалоїду, який міститься разом з атропіном в рослинах сімейства пасльонових (скополії, беладони, білени, дурману). Давно відомо, що скополамін блокує мускариновий підтип ацетилхолінових рецепторів. Було зазначено, що люди, які приймають скополамін, часто страждають на короткочасну втрату пам’яті і не можуть згадати події з недавнього минулого, перебуваючи під дією скополаміну. З іншого боку, було показано, що ацетилхолін та ліки, що зв’язуються з його рецепторами, імітуючи дію ацетилхоліну на кіркові нейрони, можуть покращувати пам’ять. Сам механізм дії ацетилхоліну на нейрон та його вплив на пам’ять вчені назвали «парадоксальним». Чому? Оскільки діючи в синапсі ацетилхолін за рахунок активації транспорту позитивних іонів калію K+ викликає деполяризацію мембрани нейрона (зміна «+» та «-» зарядів), забезпечуючи формування нових спогадів. З іншого боку, ацетилхолін блокує синаптичну передачу, що має перешкоджати навчанню та формуванню нових спогадів. Хоча може здатися, що ацетилхолін дійсно парадоксально впливає на формування пам’яті, нові дослідження показали, що пригнічення синаптичної передачі відбувається тільки в корі головного мозку і особливо в гіпокампі. Пригнічуючи передачу сигналу у нейронів у гіпокампі, ацетилхолін фактично приймає участь у регулюванні виклику старих спогадів і перемикає нейрони на формування та створення нових спогадів. Дія ацетилхоліну більшою мірою визначає кодування нових спогадів, ніж формування довгострокових спогадів та їх виклик у свідомість. Тому скополамін блокує формування нових спогадів, але НЕ впливає на спогади старих подій, які сталися до початку дії скополамина. Вважається, що дегенеративні зміни в холінергічній системі головного мозку є одним з основних факторів розвитку хвороби Альцгеймера та Паркінсона. ГАМК (гамма-аміномасляна кислота) Історично, нейрони з ГАМК рецепторами не розглядалися вченими, як ролі учасників в ланцюзі формування пам’яті. Ця ситуація змінилася після вивчення та відкриття механізму дії бензодіазепінів — класу психотропних речовин зі снодійним, заспокійливим, протитривожним та протисудомним ефектами. Дія бензодіазепінів пов’язана із впливом на рецептори ГАМК. Було показано, що бензодіазепіни при стимулюванні сну посилюють дію молекул ГАМК на рецептори типу ГАМК-А і, при цьому, викликають порушення пам’яті та знижують ефективність навчання, тоді як антагоністи (конкуренти) бензодіазепіну, викликають протилежний ефект, покращують пам’ять та підвищують ступінь навченості. тварин та у людей. В експериментах на тваринах місцеве введення агоністів (підсилюючих) або антагоністів (що послаблюють) дію ГАМК в окремі області мозку призводило, відповідно, до погіршення або покращення пам’яті та здатності до навчання. Тому сьогодні вважається, що висока активність ГАМК послаблює довгострокове потенціювання нейронів і формування спогадів, а зниження ГАМК активності стимулює утворення нових спогадів. НОРАДРЕНАЛІН, СЕРОТОНІН та ГІСТАМІН Дослідження з фармакологічною блокадою рецепторів норадреналіну та руйнуванням норадренергічних нейронів показують, що такі нейрони НЕ беруть безпосередньої участі у навчанні та формуванні пам’яті. Проте реальність, зважаючи на все, виглядає складніше. Очевидно, системи норадреналіну, серотоніну і гістаміну, таки, беруть участь у регулюванні деяких процесів формування пам’яті. Результати наукових досліджень показують, що адреналін, норадреналін, серотонін та гістамін приймають участь у координації активності різних ділянок головного мозку і врешті-решт впливають на формування спогадів та на пам’ять.