Minnedannelse avhenger av både synapsespesifikke modifikasjoner av synaptisk styrke og cellespesifikke økninger i eksitabilitet

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Abstrakt

The modification of synaptic strength produced by long-term potentiation (LTP) is widely thought to underlie memory storage. Indeed, given that hippocampal pyramidal neurons have>10,000 uavhengig modifiserbare synapser, er potensialet for informasjonslagring ved synaptisk modifikasjon enormt. Nyere arbeid antyder imidlertid at CREB-medierte globale endringer i nevronal eksitabilitet også spiller en kritisk rolle i minnedannelse. Fordi disse globale endringene har en beskjeden kapasitet for informasjonslagring sammenlignet med synaptisk plastisitet, har deres betydning for minnefunksjonen vært uklar. Her gjennomgår vi de nye bevisene for CREB-avhengig kontroll av eksitabilitet og diskuterer to mulige mekanismer. For det første utfører den CREB-avhengige forbigående endringen i nevronal eksitabilitet en minneallokeringsfunksjon som sikrer at minnet lagres på måter som muliggjør effektiv kobling av hendelser med tidsmessig nærhet (timer). For det andre kan disse endringene fremme cellesammenstillingsdannelse under minnekonsolideringsfasen. Det har vært uklart om slike globale eksitabilitetsendringer og lokale synaptiske mekanismer er komplementære. Her argumenterer vi for at de to mekanismene kan fungere sammen for å fremme nyttig minnefunksjon.

Belysningen av de molekylære, cellulære og nettverksmekanismene som ligger til grunn for læring og hukommelse har vært et hovedmål for moderne nevrovitenskap. I et viktig tidlig bidrag foreslo Donald Hebb at assosiasjonene som utgjør et minne lagres ved hjelp av aktivitetsavhengige endringer i styrken til synapser!. Mye etterfølgende arbeid har vist at synapser faktisk gjennomgår aktivitetsavhengig styrking slik Hebb har sett for seg, og gjør det via LTP (og den komplementære langtidsdepresjons (LTD)-prosessen)3. I den kanoniske formen av LTP funnet ved CAI hippocampus synapser, er LTP-induksjon avhengig av en spesiell type glutamatreseptor, NMDAR, og av en biokjemisk kaskade initiert og opprettholdt av det rikelig synaptiske proteinet kalsium/calmodulin-avhengig proteinkinase II(CaMKII)3 . Viktigere er at genetiske modifikasjoner som forstyrrer NMDAR- eller CaMKII-funksjonen blokkerer ikke bare LTP, men gir også store mangler i læring og minnelagring. Omvendt forbedrer nesten alle mutasjoner som forbedrer hukommelsen også LTP. Annet arbeid har vist at LTP, når først indusert under læring7, kan modifiseres toveis ved LTD/LTP-lignende stimulering, og dermed føre til både reduksjon og gjenoppkomst av minnestyrt atferd8. Hippocampus pyramidale nevroner har mer enn 10,{13}} synapser, og fordi hver synapse kan modifiseres uavhengig av LTP (dvs. LTP er synapsespesifikk), har selv et enkelt nevron en imponerende informasjonslagringskapasitet. Dessuten viser beregningsbasert analyse at modifikasjon av synaptisk styrke ved hjelp av LTP er tilstrekkelig til å produsere distribuert minnelagring i nevrale nettverk10 Samlet har disse funnene ført til den utbredte oppfatningen at LTP formidler minnelagring.

Det er imidlertid akkumulerende bevis for at synapsespesifikke endringer ikke er den eneste typen nevronale endringer som er nødvendige for minnefunksjoner. Spesielt har modifikasjon av globale nevronale egenskaper også en viktig rolle i læring og hukommelse. Beviset for slike endringer ble opprinnelig innhentet i invertebratpreparater brukt til å studere den presynaptiske tilretteleggingen2 som ligger til grunn for kortsiktig atferdssensibilisering. Denne tilretteleggingen innebærer en økning i presynaptisk eksitabilitet forårsaket av en reduksjon i K pluss konduktans3. Annet arbeid viste at kondisjonering av Hermissendal økte nevronal eksitabilitet ved å redusere K*-konduktans. Undersøkelsen av læringsrelaterte endringer i eksitabilitet ble deretter utvidet til å omfatte virveldyr5 og støttes nå av flere bevislinjer16-19. I dette perspektivet beskriver vi det beviset, så vel som den kritiske rollen til transkripsjonsfaktoren CREB (cAMP-responsive element-bindende protein) i denne prosessen. Vi tar deretter opp spørsmålet om hvorfor virveldyrnevroner som kan lagre store mengder informasjon ved å modifisere sine tallrike synapser også endrer globale cellulære egenskaper via transkripsjonell regulering. Vi beskriver to ideer om hvordan synaptiske og transkripsjonelle modifikasjoner gjør ulike bidrag nødvendige for den generelle prosessen med minnedannelse.

Effekter av cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelse og læringsevne

Rollen til transkripsjonsfaktoren CREB i minnet

Tidlig arbeid med virvelløse dyr pekte på viktigheten av transkripsjonsregulering i hukommelsen20. Dette førte til en interesse for CREB fordi det gjennomgår fosforyleringsavhengig aktivering som vedvarer i timevis i vertebratens hippocampus etter LTP-induksjon²'og læring2. Betydningen av CREB for minne har nå blitt demonstrert gjennom toveis manipulasjon av CREB-funksjon2324. Forskere har brukt en rekke metoder for å negativt modulere CREB, inkludert knockdown av CREB (spesifikt a/6 isoformer), antisense oligodeoksynukleotidmediert CREB-forstyrrelse, RNA-interferens og målrettet genetisk mutasjon23,25-27. Disse manipulasjonene fører alltid til hukommelsessvikt. Omvendt fører økninger i nivåer av aktiv CREB til minneforbedringer2²8,29.

Den andre fremskrittsbølgen med å forstå CREB-funksjonen oppsto fra nyutviklede verktøy som tillot direkte visualisering og manipulering av cellene som formidler minnelagring ('minnesporceller). En av de resulterende metodene utnytter det faktum at celler som gjennomgår sterk aktivitet, som skjer under hukommelsesdannelse, syntetiserer forhøyede nivåer av en klasse av regulatoriske proteiner referert til som umiddelbare tidlige gener (IEGs; for eksempel cFos og arc). Disse proteinene har lenge vært kjent for å bli uttrykt i celler aktivert under læring, og deres uttrykk kan brukes til å identifisere minnesporceller30 Eksperimenter viste at økning av nivåene av CREB i en undergruppe av celler økte sannsynligheten for at disse cellene ville bli inkorporert i minnespor, mens reduksjon av nivåene av CREB hadde motsatt effekt31,32. Hos trente dyr har CREB-overuttrykkende celler høyere IEG-uttrykk enn naboceller. Viktigere, CREB-avhengige økninger i IEG-ekspresjon forekommer ikke hos utrente mus!. Disse resultatene viser at relative CREB-nivåer kan påvirke hvilke nevroner som er inkorporert i et minnespor, et fenomen referert til som minneallokering. Etterfølgende studier viste at hemming av ß og dermed demonstrerte CREB-overuttrykkende celler negativt påvirker hukommelsesgjenkalling3133-35 nødvendigheten av disse cellene for minnegjenfinning.

Bevis på at CREB modulerer celleeksitabilitet

Med hvilken mekanisme kunne CREB kontrollere minnetildeling? Fordi LTP avhenger av nivået av depolarisering i de postsynaptiske nevronene, kan CREB fungere ved å forbedre nevronal eksitabilitet og dermed øke inkorporeringen av nevroner i minnesporet. Denne muligheten er nå testet ut på flere måter. I ett sett med eksperimenter ble intracellulære opptak oppnådd fra celler som overuttrykte CREB. Som vist i fig. 1, produserte den samme størrelsen på strømpulsen flere aksjonspotensialer i de CREB-overuttrykkende cellene enn i nærliggende nevroner som ikke overuttrykte CREB (se også ref. 32,43637. CREB-overuttrykk resulterte også i en mindre etter -hyperpolarization(AHP)etter et tog av aksjonspotensialer. Fordi slike AHP-er genereres av Kt-kanaler38, virker det sannsynlig at den økte eksitabiliteten til CREB-uttrykkende celler i det minste delvis skyldes redusert Kt-konduktans. Det kan også være eksitabilitetsendringer som avhenger av endringer i oversettelsen39, men disse er utenfor omfanget av denne gjennomgangen fordi de ikke involverer CREB.

En annen type eksperiment ble brukt for å teste direkte om manipulering av celleeksitabilitet er tilstrekkelig til å påvirke en celles inkorporering i minnesporet. I disse studiene ble virale vektorer brukt for å øke eksitabiliteten gjennom reduksjon av K pluss-kanalfunksjonen (dvs. gjennom uttrykket av dominant-negative former av to Kt-kanaler involvert i AHP: KCNQ2 og KCNQ32). Celler som uttrykker mutante kanaler ble faktisk fortrinnsvis allokert til minnesporet, som indikert av økte nivåer av IEG-proteinbuen i forhold til de i tilstøtende uinfiserte nevroner. I relaterte eksperimenter ble celleeksitabilitet redusert ved uttrykket av Kir2.1, en innad korrigerende K't-kanal Blant Kir2.1-celler ble sannsynligheten for at celler var aktive redusert omtrent fem ganger sammenlignet med celler som ikke uttrykte proteinet, og dette førte til redusert inkorporering i minnesporet. Ytterligere eksperimenter demonstrerte viktigheten av eksitabilitetsendringer på atferdsnivå: når en trinnfunksjonsopsin ble brukt for å øke eksitabiliteten til en undergruppe av amygdala-nevroner rett før tonekondisjonering, viste påfølgende atferdseksperimenter at disse nevronene ble tildelt til å lagre tonesjokket som SOCiation40.

Til sammen viser disse resultatene at en hovedfunksjon til CREB er å forbedre nevronal eksitabilitet.1,42 og derved modulere allokeringen av nevroner til minnesporet. Denne forbedringen av eksitabilitet ved sterk nevral aktivitet står i kontrast til modifikasjoner av indre og synaptiske konduktanser som er homeostatiske, det vil si hvor sterk nevral aktivitet fører til redusert eksitabilitet45. Dette reiser spørsmålet om hvilken funksjon forbedringen av eksitabilitet av CREB kan ha. I nevrale nettverksmodeller er forbedringen av overføring av LTP tilstrekkelig til å produsere minnefunksjon, så hva tilfører CREB-avhengig forbedring av eksitabilitet? En mulighet er tildeling, men hva er nytten av tildeling? Disse spørsmålene behandles i neste avsnitt.

Funksjoner av celleomfattende økning i eksitabilitet

Nedenfor beskriver vi først en hypotese om rollen til læringsavhengige endringer i global eksitabilitet som har betydelig eksperimentell støtte. Vi legger så frem en annen og mer spekulativ mulighet. Disse hypotesene utelukker ikke hverandre.

Effekter av cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelse og læringsevne

Alloker-til-lenke-hypotesen

Som beskrevet ovenfor, øker en økning i mengden av aktivert CREB eksitabilitet og fordreier derved nevronallokering i minnesporet. I følge alloker-til-lenke-hypotesen44 danner disse endringene en kobling mellom minner om hendelser som skjer innen timer etter hverandre, og den koblingen har en viktig funksjon. Som beskrevet ovenfor, fører en innledende omgang med læring til en økning i mengden CREB i de minnekodende nevronene som varer i timevis. Den resulterende økningen i eksitabilitet fører til rekruttering av mange av disse nevronene for å kode et nytt minne dannet i løpet av perioden med økt eksitabilitet. Nettoresultatet er at to minner som er kodet tett sammen i tid, blir kodet av overlappende ensembler av nevroner; dermed er de to minnene knyttet sammen, og den koblingen kan ligge til grunn for tilbakekallingen av separate hendelser som oppstår i løpet av en flere timers periode (fig. 2a).

En fersk studie viste at overlappende hippocampale nevronale ensembler faktisk fanger minner om sammenhenger utforsket nært i tid4. For direkte å bestemme om overlappende celler koder for de to kontekstene, brukte forfatterne et hodemontert miniatyrfluorescerende mikroskop for å overvåke kalsiumtransienter i musehippocampale CAl-neuroner mens musene utforsket forskjellige kontekster. Det var en større overlapping mellom de nevronale ensemblene aktivert av disse kontekstene når de to kontekstene ble utforsket innen samme dag (5 timers mellomrom) i motsetning til på forskjellige dager (7 d fra hverandre) (fig.2b). Dette gir direkte støtte for ideen om at overlappende nevronale ensembler koder for minner dannet tett i tid. En konsekvens av denne nevronale overlappingen er at disse minnene blir atferdsmessig knyttet; det ble funnet at når en av kontekstene induserte en fryktrespons, ble mus også redde for den koblede konteksten, selv om de aldri hadde opplevd noe aversivt i den konteksten (fig.2c).

Ytterligere støtte for alloker-til-kobling-hypotesen ble oppnådd gjennom manipulering av den spesifikke fraksjonen av delte nevroner for to minner. Disse studiene viste først at et delt amygdala-ensemble koder for to auditive fryktminner som er tilegnet nært i tid (innen 6 timer), og at disse minnene er koblet sammen. Forskere demonstrerte den spesifikke rollen til slike delte nevronale ensembler ved å dempe dem, noe som påvirket atferdsinteraksjonen til to amygdala-avhengige oppgaver, men ikke forstyrret gjenfinningen av individuelle oppgaver47.

Alloker-til-lenke-hypotesen antar at den CREB-avhengige økningen i eksitabilitet øker sannsynligheten for at en celle vil bli opphisset under tidsmessig nær koding av andre minner, og dermed koble minnene ved å forbedre deres synaptiske tilkobling. Som nevnt er CREB-avhengige økninger i eksitabilitet ikke-homeostatiske. Dermed er det bekymring for at denne økningen i eksitabilitet kan forbedre LTP og at de potenserte responsene kan gjøre påfølgende LTP mer sannsynlig, og potensielt føre til løpsk potensering. Synaptisk styrke er imidlertid mettbar4849, og den resulterende grensen for LTP kan unngå bekymringer om løpsk eksitasjon.

Hypotese om monteringskonsolidering

Many cells may represent similar information (for example, a place in the environment). During learning, these cells will fire together, and connections among them will be strengthened, thereby forming a stable memory ensemble. We now know that this strengthening will fade unless synapses undergo additional changes after learning, in a process termed consolidation. These consolidation processes, which include stabilization of synapses that were potentiated during learning (synaptic consolidation)and transfer of information from the hippocampus to the cortex(systems consolidation), occur during periods of rest and sleep that follow the learning events. During these periods,100-ms-long events termed sharp-wave ripples(SWRs) take place in the hippocampus. Analysis of neural firing patterns during SWRs shows that they replay recent memory>0-2. Denne gjenspillingen er avgjørende for dannelsen av stabilt minne, ettersom spesifikke forstyrrelser av SWR fører til store minnesvikter53-55. Det virker sannsynlig at en nevrons involvering i SWR-er vil bli forsterket av en økning i eksitabilitet (se også ref. 3). Dette får oss til å foreslå at en annen funksjon av den CREB-avhengige økningen i eksitabilitet er å forbedre konsolideringen som er nødvendig for stabil minnedannelse.

Mekanismer og selektivitet for CREB-aktivering

Hvis CREB har en viktig rolle i minneallokering og -konsolidering, bør aktiveringen i stor grad begrenses til celler som har vært involvert i læring og må inkorporeres i et minneensemble. Handlingspotensialer er ikke en pålitelig indikasjon på læringsrelaterte hendelser fordi de kan skyldes aktiviteten til tidligere potensierte synapser.

Tilsvarende er ikke LTP-hendelser ved synapsen en pålitelig indikator på at en celle bør være en del av et nytt ensemble fordi LTP kan forekomme i en dendrittisk gren uten somatiske natriumtopper57,58. Å lage en cellebrann, og dermed kunne innlemmes i et ensemble, kan kreve at flere grener gjennomgår synaptisk plastisitet. Det kan derfor være ønskelig at CREB fortrinnsvis aktiveres når det er både læringshendelser i dendritten og sterk nok depolarisering til å forårsake avfyring. Det er derfor bemerkelsesverdig at det er betydelig kompleksitet i veiene som fører til CREB-avhengig aktivering (fig. 3): en calmodulin kinase-kaskade kobler somatiske aksjonspotensialer til CREB-aktivering59,60, mens ERK-diffusjon fra dendritt til soma kobler synaptisk plastisitet til CREB activation61. En spennende mulighet er at disse banene utfører den biokjemiske beregningen som er nødvendig for å merke de cellene som må inkorporeres i et ensemble.

Effekter av cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelse og læringsevne

Diskusjon

Feltet læring og hukommelse har manglet et sammenhengende syn på hvorfor og hvordan hukommelse avhenger av både synapsespesifikke endringer i synaptisk styrke og globale endringer i nevronfunksjon. Nyere teknologiske fremskritt har tillatt enestående visualisering og kontroll av kretsprosesser som ligger til grunn for minnet, og de resulterende funnene støtter oppfatningen om at globale endringer i eksitabilitet forekommer og gir et kritisk bidrag til minnet. Disse observasjonene utfordrer standardmodeller som tilskriver minnefunksjon utelukkende til synaptisk modifikasjon. Vi presenterer to hypoteser om den spesifikke rollen til CREB-avhengige endringer i global eksitabilitet i minnet som går utover de tradisjonelle synspunktene; en (alloker-til-lenke) har nå direkte støtte, mens den andre (ensemblekonsolideringsmodell) er bygget på eksperimentelle observasjoner, men har ennå ikke blitt testet direkte. Til tross for de konseptuelle forskjellene mellom disse modellene, deler de et bredt syn på den overordnede minneprosessen – et syn som inkluderer hendelser under koding og konsolidering og dermed går utover prosessene som er direkte ansvarlige for den ultimate minnelagringen. I alloker-til-lenke-modellen legger CREB-avhengige endringer i eksitabilitet til helt ny funksjonalitet til minnesystemet: evnen til ett minne innenfor en tidsramme til å selektivt assosiere med andre minner innenfor samme tidsramme. I sammenstillingskonsolideringsmodellen er den ekstra funksjonaliteten forbedringen av konsolidering – en forbedring som er spesifikk for minnesporcellene og til syvende og sist nødvendig for dannelsen av et stabilt ensemble.

Ingen av de foreslåtte modellene antyder at transkripsjonsendringer faktisk ligger til grunn for selve minnelagringen, og dermed er disse modellene i samsvar med den forbigående naturen til CREB-endringer og læring og LTP. Dette er et viktig poeng fordi det ofte foreslås at transkripsjonssvitsjing kan tillate mer stabil langtidsminnelagring enn synaptiske brytere som er avhengige av kun post-translasjonsprosesser. Vi understreker at dataene på CREB ikke støtter dette forslaget; selv om CREB-avhengig transkripsjon ser ut til å være nødvendig for dannelsen av stabile minner (spesielt i ensemblekonsolideringsmodellen), er det ikke i seg selv en stabil informasjonslagringsmekanisme og kan derfor ikke mediere langtidshukommelse. Denne viktige funksjonen kan være avhengig av stabile endringer ved synapsen (men se refs, 62,63) eller på andre læringsrelaterte transkripsjonsendringer enn de som er mediert av CREB64,65 (for den potensielle nytten av antatte langsiktige endringer i eksitabilitet, se ref. 66).

Oppsummert argumenterer vi for at enhver overordnet modell av minnesystemet nå må inkludere både vedvarende endringer ved synapser og forbigående endringer i global eksitabilitet. Slike doble mekanismer bør ikke sees på som motstridende. Snarere fungerer de CREB-avhengige transkripsjonsendringene for å fremme stabile synaptiske modifikasjoner på en måte som produserer nyttige tidsmessige koblinger.

Effekter av cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelse og læringsevne

Referanser

1. Hebb, DO. Organisasjonen av atferd: En nevropsykologisk teori. Wiley; New York: 1949.

2. Bliss TV, Collingridge GL. En synaptisk minnemodell: langsiktig potensering i hippocampus. Natur. 1993; 361:31–39. [PubMed: 8421494]

3. Bliss TVP, Collingridge GL. Uttrykk av NMDA-reseptoravhengig LTP i hippocampus: bygge bro mellom skillet. Mol Hjerne. 2013; 6:5. [PubMed: 23339575]

4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA-reseptorer, stedsceller og hippocampus romlig minne. Nat Rev Neurosci. 2004; 5:361-372. [PubMed: 15100719]

5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Autofosforylering ved Thr286 av alfa-kalsium-calmodulin kinase II i LTP og læring. Vitenskap. 1998; 279:870-873. [PubMed: 9452388]

6. Rossetti T, et al. Eksperimenter med minnesletting indikerer en kritisk rolle for CAMKII-lagring i minnet. Nevron. 2017; 96:207–216. [PubMed: 28957669]

7. Lee YS, Silva AJ. Den molekylære og cellulære biologien til forbedret kognisjon. Nat Rev Neurosci. 2009; 10:126–140. [PubMed: 19153576]

8. Nabavi S, et al. Konstruere et minne med LTD og LTP. Natur. 2014; 511:348–352. [PubMed: 24896183]

9. Matsuzaki M, Honkura N, Ellis-Davies GCR, Kasai H. Strukturelt grunnlag for langsiktig potensering i enkelt dendritiske spines. Natur. 2004; 429:761–766. [PubMed: 15190253]

10. Hopfield JJ. Nevroner med graderte responser har kollektive beregningsegenskaper som de til to-stats nevroner. Proc Natl Acad Sci USA. 1984; 81:3088–3092. [PubMed: 6587342]

11. Morris RGM, et al. Elementer i en nevrobiologisk teori om hippocampus: rollen til aktivitetsavhengig synaptisk plastisitet i minnet. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003; 358:773–786. [PubMed: 12744273]

12. Castellucci V, Kandel ER. Presynaptisk tilrettelegging som en mekanisme for atferdssensibilisering i Aplysia. Vitenskap. 1976; 194:1176–1178. [PubMed: 11560]

13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Serotonin og syklisk AMP lukker enkelt K pluss-kanaler i Aplysia sensoriske nevroner. Natur. 1982; 299:413–417. [PubMed: 6289122]

14. Alkon DL. Endringer av membranstrømmer under læring. J Exp Biol. 1984; 112:95–112. [PubMed: 6150967]

15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Betingelsesspesifikke membranendringer av kaninhippocampale nevroner målt in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 1986; 83:2733–2737. [PubMed:3458232]

Effekter av cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelse og læringsevne