Как управлять памятью - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
Что, если создать трансгенных мышей, у которых, как и у уже рассмотренных, промотор немедленных ранних генов находится под контролем системы tTA-tetO или Cre/loxP, но под промотором помимо гена флуоресцентного маркера находится последовательность, кодирующая опсин -- светочувствительный белок [27]? А то, что мы сможем не просто видеть модифицированные нейроны, но и управлять их активностью -- стимулируя светом (рис. 9) [28]. Здесь нужно вспомнить, что срабатывание нейрона основано на прохождении ионного тока через каналы в его цитоплазматической мембране.
В покоящемся состоянии цитоплазма нейрона заряжена отрицательно относительно внеклеточной среды, то есть его мембрана поляризована [29].
Возбуждение проявляется тем, что каналы открываются, и катионы устремляются внутрь клетки, деполяризуя мембрану. Опсины, которые мы будем использовать (впервые добытые из клеток бактерий и водорослей), встраиваются в цитоплазматическую мембрану и при освещении определенной длины волны меняют свою конформацию, начиная пассивно пропускать катионы по градиенту концентрации (каналродопсин, СhR2) либо даже работать в качестве насоса и активно перекачивать анионы внутрь клетки (галородопсин, NpHR) [30].
В первом случае происходит деполяризация мембраны, и нейрон срабатывает. Во втором случае мембрана гиперполяризуется*, и клетка становится нечувствительной к раздражению. Таким образом, мы получаем возможность искусственно активировать или подавлять конкретные воспоминания. Название подобных технологий -- оптогенетика**.
Рисунок 9. Принцип действия канал - и галородопсинов. Рисунок с сайтаlookfordiagnosis. com.
Рисунок 10. Оптогенетические (вверху)и хемогенетические (внизу) технологии для манипулирования сетями памяти. Рисунок из [36].
Особенно любопытен опыт, ставший возможным благодаря оптогенетике, в котором у мышей удалось произвести искусственное обучение. Авторы использовали систему tTA-tetO с доксициклином, а также каналродопсин для искусственного манипулирования нейронами. Вначале они предлагали мышам исследовать обстановку "А" и оптогенетически захватывали активирующуюся при этом популяцию нейронов. Затем они помещали мышей в другую обстановку -- "B" -- и наносили им удары током, одновременно активируя светом захваченную популяцию нейронов, сохранившую воспоминание об обстановке "А". Последующая проверка показывала, что эта популяция связывалась у мышей с болевым стимулом: у животных возникала боязнь* как при помещении их в обстановку "А", так и при прямой активации светом захваченных нейронов в совершенно посторонней обстановке [33].
Ограничение оптогенетики, однако, в том, что область досягаемости светового луча позволяет стимулировать лишь небольшую часть клеток захваченной популяции (стимуляция проводится с помощью все тех же технологий, что и прижизненный имиджинг, см. рис. 6). Этой проблемы не возникало бы, если бы можно было стимулировать сеть химически, а не оптически. Такие технологии называются хемогенетика.
Возьмем хотя бы уже знакомых нам трансгенных мышей TetTag, обладающих c-fos-опосредованной экспрессией фермента LacZ. После того как мы пометили этим ферментом некоторое воспоминание, можно использовать тот факт, что пролекарственное вещество daun02 под действием LacZ превращается в антибиотикдаунорубицин, вызывающий апоптоз клеток и блокировку ионных каналов [34]. То есть, вводя daun02, мы необратимо подавляем это воспоминание.
Вообще, большинство методов хемогенетики основано на внедрении в нервную систему встраивающихся в мембраны нейронов трансгенных рецепторов. С помощью известных нам подходов их экспрессию можно сделать зависимой от немедленных ранних генов и разрешенной только в промежуток времени эксперимента -- чтобы захватывать сеть воспоминания для последующего влияния на нее через эти рецепторы. Очень успешен метод с внедрением искусственно созданных рецепторов под названием DREADDs (designer receptors exclusively activated by designer drugs). Они реагируют с синтетическим веществом, производным клозапина (CNO, сlozapine N-oxide). При этом с эндогенными химическими веществами организма ни CNO, ни сами рецепторы не реагируют. Созданы две разновидности этих рецепторов: hM3Dq при введении CNO вызывают деполяризацию нейронов, а hM4Di -- гиперполяризацию. Соответственно, возможны активация либо подавление воспоминаний, причем, в отличие от предыдущего метода, обратимые (рис. 10) [35].
Ст?ит отметить, что химическое вещество воздействует на рецепторы более продолжительно (минуты или часы), чем свет на опсины (миллисекунды), и, соответственно, от применяемой технологии зависит более или менее длительный активирующий или подавляющий эффект на память [36]. В связи с этим интересно упомянуть опыт, аналогичный уже описанному, но использующий вместо каналродопсина CNO и рецепторы hM3Dq. Пройдя ту же схему эксперимента, мыши не выказывали страха ни к обстановке "А", ни к обстановке "В". Зато они пугались при предъявлении обстановки "В" одновременно с химической стимуляцией сети памяти об обстановке "А". По-видимому, за счет продолжительности воздействия химического препарата, а также его циркуляции по всей коре (в опыте с использованием оптогенетики проводилась прицельная стимуляция лишь конкретного, небольшого участка сети памяти), у животных создавалось гибридное воспоминание, отражающее нечто среднее между обстановками "А" и "В", с которым и ассоциировался болевой стимул [37].
Похожие статьи
-
Как управлять экспрессией - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
Понимание того, каким же образом сигнал, поступающий к клетке, передается на немедленные ранние гены и приводит к их активации, позволяет влиять на их...
-
Как увидеть память - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
Итак, экспрессия многих генов зависит от нейронной активности, соответственно, этот феномен получил название активностно-зависимой генной экспрессии. А...
-
Если возбуждение нейронов, активировавшихся при восприятии нами информации из внешней среды, поддерживается длительно, то сигнал доходит до их ядер и...
-
Технологии изучения клеточных механизмов памяти - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
Автор: Субботина А. Фундамент учения дуализма серьезно пошатнулся еще во второй половине XIX века наблюдением за отклонениями психической деятельности у...
-
Чем занимаются немедленные ранние гены в клетке? - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
Некоторые из них кодируют транскрипционные факторы для структурных генов, другими словами, регулируют уровни их экспрессии [3]. Это очень важная функция,...
-
Молекулярные механизмы регуляции клеточной смерти - Биологические механизмы жизненного цикла клетки
Апоптоз - многоэтапный процесс. Первый этап - прием сигнала, предвестника гибели в виде информации, поступающей к клетке извне или возникающей в недрах...
-
Литература - Технологии изучения клеточных механизмов памяти
1. Han J. H., Kushner S. A., Yiu A. P., Cole C. J., Matynia A., Brown R. A. et al. (2007). Neuronal competition and selection during memory formation....
-
Физиологические механизмы памяти - Биосоциальная сущность человека
Для адаптации индивидуального поведения к окружающей среде, тем более для осуществления разнообразной высшей нервной деятельности, человеку, равно как и...
-
Виды клеточной смерти - Биологические механизмы жизненного цикла клетки
Гибель (смерть) отдельных клеток или целых их групп постоянно встречается у многоклеточных организмов, также как гибель одноклеточных организмов. Причины...
-
Мышечная дистрофия - одно из самых тяжелых заболеваний опронодвигательного аппарата. В настоящее время нет лекарства на основе стволовых клеток для...
-
В сфере научных интересов сразу несколько направлений. Во-первых, применение стволовых клеток пуповинной крови и костного мозга при нейродегенеративных...
-
Органы-мишени и механизм действия инсулина - Биохимия поджелудочной железы
1. В крови инсулин может быть в двух формах: свободной и связной. Органы - мишени свободного инсулина: печень, скелетная мускулатура, кишечник; связного...
-
Введение - Технология производства пластырей
Актуальность темы исследования. Основными задачами фармацевтической технологии являются: разработка теоретических обоснований существующих методов...
-
ВКЛЮЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ. ВАКУОЛЬ И КЛЕТОЧНЫЙ СОК - Самостоятельные работы по ботанике. 1 курс
Понятие о вакуоли, функции и возникновения вакуолей. Вакуоли отделены от цитоплазмы тонопластом. Жидкость, заполняющая вакуоль представляет собой...
-
На плотных питательных средах микробы растут в виде колоний. Колонии разных микробов отличаются по форме, размерам, консистенции, цвету и другим...
-
Функция мозжечка заключается в контроле над всеми видами движений. Он "программирует" координацию многочисленных отдельных движений, составляющих один...
-
Генетические методы изучения биопленок - Использование микробных биопленок в промышленности
Для выявления генов, участвующих в генетическом контроле любого процесса, используются методы направленного и ненаправленного (инсерционного)...
-
Структура цитоплазмы, Эндоплазматический ретикулум - Клеточная теория
Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в...
-
Миллиарды лет Солнце дарит Земле свою энергию. Долгие годы эффект от этого был сравнительно небольшим - энергия бесследно исчезала в бескрайнем космосе....
-
В каждом организме (животном, растительном или микробной клетке) все время происходят сложные процессы превращения веществ. Велика роль в этих процессах...
-
Механизм экзоцитоза медиатора - Нервно-мышечная физиология
Для экзоцитоза необходимы ионы кальция, которые входят в терминаль через кальциевые каналы и белки экзоцитоза. Среди них синаптотагмин, синаптобревин,...
-
Механизмы апоптоза - Радиационный апоптоз и некроз клеток облученного организма
Развитие и функционирование многоклеточных организмов подразумевает равновесие между синтезом и распадом молекул, их окислением и восстановлением,...
-
Основные методы, которые были использованы при исследовании видов рода Amanita Fr. - это среднемасштабный маршрутный метод исследования микобиоты и...
-
Химический состав микробов. Вода составляет основную массу микробной клетки - в капсульных бактериях ее больше, в бациллах меньше. В Aerobacter aceti...
-
Строение бактериальной клетки - Изучение морфологии микроорганизмов
Для изучения строения бактериальной клетки наряду со световым микроскопом применяют электронно-микроскопические и микрохимические исследования,...
-
Жизненный цикл клетки - Биологические механизмы жизненного цикла клетки
Биологический клетка деление До сих пор много тайн клетки остаются неразгаданными. Загадочным во многом остается и запрограммированный генетически...
-
Общие методы изучения вирусов - Строгие постулаты Коха
О присутствии вируса в организме как при спонтанном заболевании, так и при экспериментальном заражении хозяина судят по появлению тех или иных...
-
Механизм расслабления - Нервно-мышечная физиология
Начинается с уменьшения концентрации ионов кальция в саркоплазме, за счет работы кальциевых насосов и натрий-кальциевого обменника, разрушение...
-
Нервно-мышечная передача возбуждения состоит из нескольких этапов. ПД по аксону достигает области двигательного нервного окончания. Деполяризация...
-
Метод микрофигурии - Методы изучения клетки
С помощью микроманипулятора отдельные части клетки можно удалять, добавлять или каким-то образом видоизменять. Крупную клетку амебы удается разделить на...
-
Механизм действия гормонов. Роль циклазной системы в механизме действия гормонов - Понятие гормонов
По механизму действия гормоны делят на два основные типа. Первый - это белковые и пептидные гормоны, катехоламины и гормоноиды. Их молекула, подойдя к...
-
Современная клеточная теория - Клеточная теория
Современная клеточная теория исходит из того, что клеточная структура является главнейшей формой существования жизни, присущей как растениям, так и...
-
Метод исследования в свете люминесценции - Методы изучения клетки
Метод Исследования в свете люминесценции состоит в наблюдении под микроскопом зелено-оранжевого свечения микрообъектов, которое возникает при их...
-
Поляризационная микроскопия, Метод фазового контраста - Методы изучения клетки
Поляризационная микроскопия - это метод наблюдения в поляризованном свете для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически...
-
Материал исследования Исследования проводили в период вегетативного сезона 2011-2015 гг. Сбор осуществляли преимущественно маршрутным методом. В ходе...
-
Клетка - единая система сопряженных функциональных единиц - Клеточная теория
В начале нашего изложения в согласии с клеточной теорией мы обсуждали первый ее постулат: клетка - наименьшая единица живого. Однако мы знаем о сложности...
-
К чистым факторам переноса относят, например, факторы F и F-подобные (pAP22-4, pAP38, pAP39, pAP41) и pTRA1, фактор T, идентифицированный в E. coli,...
-
Влияние вирусной инфекции на клеточном уровне - Строгие постулаты Коха
Различают три вида воздействий, оказываемых вирусами животных на клетки. Легче всего выявляется деструктивный, или цитолитический, эффект, для которого...
-
Плазма крови - это раствор, состоящий из воды (90-92%) и сухой остаток (10 - 8%), состоящий из органических и неорганических веществ. (рис. 1)...
-
ВИДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ. - Память
Биологическая память - это фундаментальное свойство живой материи приобретать, сохранять и воспроизводить информацию. Различают три вида биологической...
Как управлять памятью - Технологии изучения клеточных механизмов памяти