Synaptyczne podstawy pamięci - zlokalizowanie śladu pamięciowego

Problemy 09/1992

Przedstawiamy fascynujący tekst Małgorzaty Kossut, będący wycieczką wgłąb ludzkiego mózgu. Jak zapamiętujemy? Jak kojarzymy informacje? Czy pamięć to tylko wzmonienie przekaźnictwa neuronalnego? Jakie są mechanizmy wzmacniania takich połączeń w mózgu? To wszystko w poniższym, wymagającym intelektualnie artykule. Lektura dla wytrwałych ale z pewnością godna uwagi.
Polecam.
Citronian-Man.
----------------------------------------------------------------
      W jaki sposób mózg przechowuje zapamiętane informacje? Jak wygląda zapis pamięciowy na poziomie komórkowym — neuronalna reprezentacja tego, czego organizm nauczył się w wyniku zdarzeń i doświadczeń? Neurobiolodzy od początku naszego stulecia poszukują odpowiedzi na takie pytania. Wtedy to powstała i została powszechnie przyjęta nazwa mózgowego śladu pamięciowego — engram. Stworzył ją Richard Semon. Znalezienie w mózgu engramu określonego zdarzenia okazało się niełatwe. Szukając komórkowego śladu pamięciowego dokonujemy redukcjonistycznego przejścia przez kilka poziomów zorganizowania rzeczywistości — od zjawisk psychicznych do ruchu jonów. Każdy poziom rządzi się swoimi prawami, można nawet powiedzieć, że „mówi" swoim językiem. 

.

Wczesne próby zlokalizowania śladu pamięciowego opisane są w ogólnie dostępnych podręcznikach i można je tu pominąć. Znaczny postęp w tych poszukiwaniach przyniosło ostatnie dwudziestolecie. Współczesna neurobiologia przyjmuje, że w wyniku uczenia się następują trwałe zmiany w mikrostrukturze układu nerwowego, przede wszystkim w połączeniach pomiędzy neuronami, czyli w synapsach.

Synapsy to struktury o długości 0,2-0,3 µm, które można zobaczyć, scharakteryzować i przeliczyć używając mikroskopu elektronowego. W zasadzie istnieje więc technika pozwalająca zweryfikować przytoczoną koneksjonistyczną hipotezę tworzenia engramu. Wystarczy nauczyć zwierzę czegoś, a następnie sprawdzić, czy w synapsach jego mózgu zaszły zmiany. Cała trudność polega na wyborze okolicy mózgu, w której będziemy szukać zmian synaptycznych.

W mikroskopie elektronowym możemy, jeśli chcemy zachować przyzwoitą dokładność, przebadać tylko bardzo niewielką objętość tkanki. A jak wiadomo. w mózgu jest około stu bilionów neuronów i około stu trylionów synaps. Długość włókien nerwowych w mózgu człowieka to mniej więcej dwukrotna odległość z Ziemi do Księżyca (*to i kolejne pogrubienia - red.). Żeby dobrze obejrzeć synapsę, musimy zastosować powiększenie około 30 000 razy; na zdjęciu preparatu kory mózgowej widzimy wtedy około 10 synaps. Jeśli przeanalizujemy 1000 takich zdjęć, uzyskamy dane dotyczące 10 tysięcy synaps, co wydaje się dużą próbką, ale należy pamiętać, że jeden neuron kory mózgowej ma ich przeciętnie 20 tysięcy. We wszelkich badaniach dotyczących materialnego podłoża pamięci krytycznym problemem jest zlokalizowanie okolicy układu nerwowego, która ma być obiektem badań; w przypadku mikroskopii elektronowej problem ten dodatkowo komplikują niewielkie rozmiary próbki, jaką można przebadać.

Właśnie dlatego badania zmian synaptycznych podjęto stosunkowo niedawno, dopiero po opracowaniu wystarczająco dobrych modeli dla eksperymentalnych analiz uczenia się i pamięci, a zwłaszcza po zidentyfikowaniu struktur zaangażowanych w te procesy. Prace te były trudne i długotrwałe, a ich wyniki często nie poddawały się jednoznacznej interpretacji. Podstawowym problemem było zlokalizowanie engramu — czy znajduje się on w ściśle określonym miejscu (nawet w kilku komórkach), czy też jest rozproszony na dużych obszarach mózgu. Ten ostatni pogląd w szczególnej formie ujmowany był przez tzw. holograficzną koncepcję pamięci Karla Pribrama, według której każdy może zapamiętywać informację z niejako „swojego punktu widzenia". Wiele badań elektrofizjologicznych prowadzonych na ptakach i ssakach w trakcie uczenia pokazuje, że modyfikacje wyładowań elektrycznych neuronów związane z odbywanym przez zwierzę treningiem warunkowania pojawiają się w wielu ośrodkach układu nerwowego. Widać je zarówno w drogach. czuciowych, które transmitują i analizują informację o bodźcach warunkowych i bezwarunkowych, jak i w ośrodkach regulujących stan pobudzenia mózgu, a również w okolicach mózgu związanych z efektorową częścią łuku odruchowego. W wielu okolicach takie zmiany okazują się trwałe. Można więc zidentyfikować rozproszone elementy obwodów biorących udział w uczeniu się i wykazać, że ich odpowiedzi są zmienione pod wpływem procesu uczenia, chociaż trudno powiedzieć, czy stanowią one część śladu pamięciowego. Opinie na temat poszukiwania śladu pamięciowego są podzielone. (Czy należy szukać go w wydzielonych dla przechowywania pamięci strukturach mózgu, czy też uznać, że łączy on obwody neuronalne przebiegające przez różne okolice mózgu, także przez części analizatorów zmysłowych i struktur związanych z motywacjami i emocjami (które niewątpliwie są zaangażowane w proces uczenia się). Nie ma prostej odpowiedzi na to pytanie. Badacze tacy jak Konorski, Mountcastle, Mishkin czy Goldman-Rakic, chcą zlokalizować ślad pamięciowy w małych grupach komórek, bardzo wybiórczo reagujących na bardzo szczególne bodźce. Z drugiej strony, oprócz przytoczonych danych elektrofizjologicznych istnieją doświadczenia wykonane za pomocą techniki obrazowania układu nerwowego (neural imaging), które wskazują na zaangażowanie rozległych obszarów mózgu w procesy pamięciowe. Technikę obrazowania mózgu można stosować do badań ludzi dzięki analizowaniu za pomocą tomografii emisji pozytronów akumulacji fluorodezoksyglukozy, analogu glukozy, który jest pobierany przez aktywne elektrycznie komórki nerwowe. Większość wykonywanych w ten sposób badań wskazywała na wielość struktur zaangażowanych w procesy uczenia się i przypominania sobie.

Nie do końca wyjaśniony jest też problem, czy miejsce, w którym powstaje ślad pamięciowy, jest tym samym, w którym jest on później przechowywany. Istnieją zarówno doświadczenia z klinicystyki ludzkiej, jak i eksperymenty na zwierzętach, dowodzące przemieszczania się śladu pamięciowego w obrębie mózgu.

Synapsa

Synapsa jest to połączenie funkcjonalne pomiędzy neuronami, przez które sygnał elektryczny przechodzi z jednego neuronu do drugiego. Najczęściej spotykamy tzw. synapsy chemiczne, w których pobudzenie przekazywane jest przez substancję chemiczną nazywaną neuroprzekaźnikiem (np. acetylocholinę, noradrenalinę, dopaminę, glutaminian, kwas gamma-aminomasłowy). W odpowiedzi na impuls elektryczny przychodzący do zakończenia jednego neuronu uwalniany jest na zewnątrz neuroprzekaźnik, który łączy się z receptorami na błonie drugiego neuronu i powoduje lokalną zmianę jej potencjału. Synapsa chemiczna ma bardzo charakterystyczną budowę (ryc. 1).

Ryc. 1. Schemat budowy synapsy.

Zakończenie nerwowe, do którego przychodzi impuls, tworzy tzw. część presynaptyczną w formie bulwkowatego rozszerzenia. Na presynaptycznej części błony zbliżonej do docelowego neuronu tworzy się zgrubienie, a w pobliżu niego gromadzą się pęcherzyki synaptyczne zawierające neuroprzekaźnik. W obszarze zgrubienia presynaptycznego, nazywanego strefą aktywną, pęcherzyki uwalniają swoją zawartość do szczeliny synaptycznej— przestrzeni międzykomórkowej ograniczonej przez wzajemne położenie błony — pre- i postsynaptycznej. W części postsynaptycznej z błoną neuronu związane jest tzw. zgrubienie postsynaptyczne, którego rola zostanie szerzej omówiona w dalszej części artykułu. W korze mózgu i w korze móżdżku większość synaps umieszczona jest na kolcach dendrytowych, czyli maleńkich uwypukleniach błony dendrytów.

Jak działa synapsa - prosty wyjaśniający film (przyp. Citronian-Man) 

Zmiany synaptyczne

Ramon y Cajal jeszcze w ubiegłym stuleciu zakładał powstawanie nowych synaps pomiędzy neuronami w procesie uczenia się. Współczesny mu Tanzi sugerował zachodzenie zmiany sprawności połączeń międzyneuronalnych. Wkrótce potem uczeni niemieccy Mueller i Pilzecker opublikowali hipotezę konsolidacji pamięci mówiącą, że informacja o bodźcach zewnętrznych przetwarzana jest w organizmie tak długo, aż spowoduje zmiany struktury neuronalnej, powodując konsolidację doznań w formie śladów pamięciowych. Odbicie tego sposobu myślenia znajdujemy we współczesnych koncepcjach tworzenia engramu. Konorski w 1948 r. sugerował, że odpowiednie kombinacje bodźców czuciowych mogą wytwarzać dwa typy zmian w neuronach i połączeniach pomiędzy nimi: obligatoryjną, ale przejściową zmianę, pobudliwości oraz fakultatywną, ale trwałą zmianę plastyczną, czyli funkcjonalną transformację neuronów. Według Donalda Hebba, twórcy modelu, na którym opiera się większość rozważań o pamięci to czy zmiana będzie plastyczna, zależy od tego, czy wystąpi równoczesna lub prawie równoczesna aktywacja neuronu pre- i postsynaptycznego. Większość znanych przykładów zmian plastycznych spełnia założenia Hebba, tzn. jest w nich niezbędna aktywacja neuronu pre- i postsynaptycznego.

Wiadomo, że strukturą synaptyczna mózgu jest labilna. W normalnych warunkach fizjologicznych synapsy ulegają wymianie i przekształcaniu w wyniku działania hormonów (ciąża i laktacja), stresu osmotycznego, niedożywienia. We wczesnym okresie rozwoju odbywa się w mózgu nadprodukcja synaps i połączeń międzyneuronalnych, po której następuje selektywna stabilizacja połączeń aktywnych funkcjonalnie i eliminacja pozostałych. U osobników dorosłych mózg „nie czeka" z nadmiarem możliwych połączeń na zmagazynowanie informacji o nie dającym się przewidzieć charakterze. Bardziej prawdopodobna jest możliwość lokalnej synaptognezy wywołanej przez lokalną aktywność neuronalną.

Wzmocnienie połączenia pomiędzy neuronami może zachodzić zarówno w wyniku zwiększenia liczby synaps pomiędzy nimi, jak i przez zwiększenie sprawności działania istniejących synaps. To drugie zjawisko może mieć charakter:

a) funkcjonalny (odhamowanie);

b) biochemiczny (zwiększenie ilości transmitera, modulatora, liczby i powinowactwa receptorów neurotransmiterów, zwolnienie procesu usuwania transmitera ze szczeliny synaptycznej)

d) dystrybucyjny — może zmieniać się położenie synaps na neuronie postsynaptycznym, prawdopodobnie przez zanikanie ich w innym miejscu a pojawianie się w innym;

d) strukturalny (zmiana wielkości i kształtu elementów synaptycznych prowadząca do wydajniejszego ich działania).

LTP - Long Term Potentiation, plastyczność i podstawy pamięci - prosto wyjaśnione (przyp. Citronian-Man) 

Zajmijmy się tą ostatnią kategorią, czyli zmianami morfologicznymi. Można sobie wyobrazić, że po stronie presynaptycznej o aktywności synapsy świadczy długość strefy aktywnej liczba pęcherzyków synaptycznych czy objętość kolbki (ryc. 1). Sugerowano również możliwość występowania po stronie postsynaptycznej zmian plastycznych mogących modyfikować funkcjonowanie synapsy. Dotyczy to zarówno samej synapsy, jak i dendrytu, a zwłaszcza kolców, dendrytowych, na których umieszczona jest większa część synaps pobudzających. Modyfikacje zgrubienia postsynaptycznego obejmują jego wydłużenie (co zwiększa strefę kontaktu synaptycznego) i pogrubienie. Zgrubienie postsynaptyczne składa się z kilkudziesięciu białek. Dominują wśród nich aktyna i związane z nią białka, wysokocząsteczkowe glikoproteidy, kinaza białkowa zależna od cAMP, kinaza zależna od Ca i kalmoduliny oraz aktywowana przez kalmodulinę, zależna od cAMP pompa wapniowa. Zmiany w zgrubieniu postsynaptycznym mogą modyfikować trwale własności synapsy. Zgrubienie postsynaptyczne może także być elementem kotwiczącym białka błony postsynaptycznej skupione w rejonie strefy aktywnej, takie jak receptory neuroransmiterów i kanały jonowe, białka regulatorowe akie jak kalmodulina, fosfoproteiny i kinazy białkowe. W zgrubieniu postsynaptycznym mogą tworzyć się perforacje, co interpretuje się jako zwiększenie kontaktu pomiędzy neuronami, prowadzące do wzmożenia transmisji. Mogą też powstawać spinule, czyli uwypuklenia błony postsynaptycznej do części presynaptycznej, przypuszczalnie biorące udział w przemodelowaniu synapsy i kolca dendrytowego (ryc. 2).

Ryc. 2. Synapsa wklęsła (a) i wypukła (b).

Wrastanie spinuli w część presynaptyczną mogłoby prowadzić do podziału synapsy. Związek z funkcjonowaniem synapsy przypisywano też krzywiźnie synapsy. Zależnie od tego, czy strona presynaptyczna wpukla się do postsynaptycznej, czy odwrotnie, wyróżnia się synapsy wklęsłe albo wypukłe (ryc. 2). Krzywizna synapsy może być modyfikowana przez zmiany aktynowego szkieletu komórkowego w kolcu. Zmiany te mogą być kontrolowane przez poziom wolnego wapnia w komórce, co z kolei jest kontrolowane przez aktywność synapsy. Ostatnio stwierdzono w kolcach obecność miozyny, co zwiększa wagę sugestii o kurczliwości cytoszkieletu kolców. Wapń może też aktywować proteazy, czyli enzymy proteolityczne, kalpainy, które znajdują się w kolcu. One z kolei degradują fodrynę, która jest białkiem szkieletu komórkowego występującym w gęstości postsynaptycznej. Fodryna wiąże błonę synaptyczną z siecią aktynową. Perturbacje w takim układzie białkowym mogą powodować szybkie zmiany kształtu synaps, przy czym błona postsynaptyczna może się wydłużać i uwypuklać, odsłaniając uprzednio znajdujące się po wewnętrznej stronie błony receptory neurotransmiterów co może powodować spotęgowanie transmisji synaptycznej. Mechanizmy te mogą również mieć wpływ na zmiany kształtu dendrytów, a zwłaszcza kolców dendrytowych (ryc. 3).

W ostatnich latach powszechnie przyjmuje się pogląd, że kolce uczestniczą w modulowaniu sygnału synaptycznego. Istnieją sugestie, że kolec może izolować obszar jednego wejścia synaptycznego od innych wejść. Sugerowano także, że opór szyjki kolca może zmniejszać prąd wytworzony w błonie postsynaptycznej. Zwężanie szyjki kolca zwiększa opór, zaś poszerzanie zmniejsza go. Istnieją też hipotezy mówiące o istnieniu w główce kolca aktywnych kanałów jonowych, dzięki którym może w niej dochodzić do dużych depolaryzacji, wzmocnienia pobudzającego potencjału postsynagtycznego (EPSP). a nawet generowania potencjału czynnościowego. Zmiany oporu szyjki kolca przyczyniałyby się wtedy do zmniejszenia lub zwiększenia wzmocnienia EPSP. Zmiany kształtu szyjki kolca mogą wobec tego być ważne dla badań plastyczności.

Ryc. 3. Kolce dendrytowe: a — neuron impregnowany
metodą Golgiego. na odchodzących w boki w górę od
ciała neuronu dendrytach widać kolce;
b — powiększenie dendryru z kolcami;
c — schemat ustawienia kolców na dendrycie.

 Ruchliwość dendrytów jest jednym z niewielu zjawisk morfologicznych w układzie nerwowym, które udało się zaobserwować in vivo. Obserwując przyżyciowo nastrzyknięte barwnikiem dendryty neuronów zwoju szyjnego szczura przez okres kilku tygodni, zauważono kurczenie się, wzrost i przemieszczanie się dendrytów. Być może wszystkie dendryty wykazują stałą ruchliwość, na którą mogą się nakładać zmiany kształtu związane z uczeniem się. Badania Aoki i Siekevitza wskazały, że możliwy jest biochemiczny mechanizm zmian kształtu dendrytów związany z plastycznością. W ich modelu regulatorem plastyczności dendrytów miałaby być fosforylacja białka MAP2, która osłabia stabilizację białek szkieletu komórkowego przez dezorganizację mikrotubuli. Udowodnili oni, że ufosforylowana forma MAP2 przeważa w okresach rozwoju i dużej plastyczności układu nerwowego.

Zmiany synaps w doświadczalnych modelach plastyczności mózgu

Z powodu trudności ze zlokalizowaniem śladu pamięciowego, a więc i ustalenia miejsca pobrania materiału do badań mikroskopowych, początkowo prowadzono badania na prostszych modelach plastyczności kory wzrokowej oraz na zwierzętach hodowanych we wzbogaconym środowisku. Badania te stwierdzały, że w aktywnych połączeniach neuronalnych jest więcej kolbek synaptycznych, które mają więcej pęcherzyków synaptycznych i dłuższe apozycje błon synaptycznych niż w połączeniach nieaktywnych. Na ogół jest też więcej kolców dendrytowych, a drzewka dendrytów są Bardziej rozgałęzione (ryc. 4).

Ryc. 4. Schematyczne przedstawienie zmian synaptycznych zachodzących
w nieaktywnych połączeniach nerwowych. Należy zwrócić uwagę na liczbę
synaps, grubość i długość błony posłsynaptyczncj, liczbę, pęcherzyków
synaptycznych, ilość perforacji błony postsynaptycznej, zaokrąglenie kolców.

Istnieją formy plastyczności o dobrze poznanych podstawach komórkowych, które często traktuje się jako modele procesu uczenia się. Należy tu przede wszystkim długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (LTP — ang. long term potentation) a tak ze kindling. W obu przypadkach odpowiednie drażnienie elektryczne włókien aferentnych powoduje trwałą zmianę odpowiedzi elektrycznej neuronów hipokampa. Można przy tym dość dokładnie stwierdzić, w której warstwie komórek, a nawet w której części drzewka dendrytowego występuje wywoływana zmiana. W tej sytuacji miejsce dla badań mikroskopowo elektronowych jest lepiej określone. Ostatnie dane elektrofizjologiczne potwierdzają uzyskane uprzednio dane o zaokrąglaniu się_główek_kolców w wyniku długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LTP). Były też doniesienia o szybkim przyroście liczby synaps. Stwierdzono też wydłużenie zagęszczenia postsynaptycznego i przyrost długości błony nadległej po obu stronach zagęszczenia. Wskazuje to na przyrost zarówno części pre- i postsynaptycznej w wyniku LTP. W większości przytaczanych badian nie stosowano analizy stereologicznej zapewniającej obiektywne dane o liczebności badanych elementów, co niestety obniża wiarygodność danych.       

W zjawisku nazywanym kindlingiem podprogowy bodziec elektryczny podawany jest 1-2 razy dziennie przez 1-2 sekundy. Powoduje on stopniowe narastanie wyładowania następczego, które rozszerza swoją lokalizację. Stwierdzono, że w wyniku kindlingu z drażnieniem drogi perforowanej i analizowaniem środkowej części warstwy molekularnej zakrętu zębatego następuje zmniejszenie liczby synaps aksospinalnych nieperforowanych, przy zachowaniu niezmniejszonej liczby synaps perforowanych, co oczywiście prowadzi do zmiany proporcji między liczbą jednych i drugich. Zaobserwowano wzrost długości strefy aktywnej synaps perforowanych a wzrost liczby dwugłowych kolców dendrytowych (ryc. 5) oraz stwierdzono, że synapsy na nich pochodzą z odrębnych zakończeń aksonalnych. Obie synapsy na takim kolcu są perforowane, czyli charakteryzuje je zwiększona wydajność (ryc. 5). Jeśli te dwa zakończenia aksonalne pochodzą z odrębnych włókien dwugłowy kolec może być miejscem., interakcji asocjacyjnej. Jeżeli pochodzą z jednego włókna, może w nim zachodzić silne wzmocnienie sygnału. Powstawanie dwugłowych kolców stwierdzono także po długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym LTP.

Ryc. 5. Dwugłowy kolec dendrytowy.
A — zakończenie aksonu,
D - dendryt
ZA - aparat kolcowy.

Jakie dane o zmianach synaps i kolców dendrytowych przynoszą bezpośrednie badania nad konsekwencjami uczenia się? Najlepsze, choć także fragmentaryczne dane pochodzą z doświadczeń nad uczeniem się przez kurczęta unikania dziobania nieprzyjemnie smakującego ziarna. Za pomocą obrazowania aktywności funkcjonalnej mózgu stwierdzono, że są trzy obszary, w których aktywność metaboliczna w 30 min. po treningu jest wyższa niż u zwierząt kontrolnych. Z tych obszarów pobrano próbki do badań mikroskopowych.

I tak, w hyperstriatum ventrale, obszarze odpowiadającym korze asocjacyjnej ssaków, niezbędnym dla wyuczenia zadania, stwierdzono wzrost liczby pęcherzyków synaptycznych w kolbkach synaptycznych, a także wzrost długości zgrubień postsynaptycznych. W jednej z grup neuronów tego obszaru zauważono znaczne zwiększenie liczby kolców dendrytowych, zwiększenie średnicy główki kolca i skrócenie długości szyjki. Ponieważ, jak wspomniano, nie stwierdzono w tym obszarze zwiększenia liczby synaps, jest możliwe, że przesuwają się one z trzonów dendrytów na kolce. Zwiększona gęstość kolców dendrytowych nie występowała, gdy zwierzęta bezpośrednio po treningu otrzymywały elektrowstrząs wywołujący amnezję (niepamięć wsteczną), natomiast występowała u osobników, u których zastosowany elektrowstrząs nie wywołał amnezji. W lobus parolfactorius, obszarze odpowiadającym zwojom podstawnym ssaków, którego usunięcie nie przeszkadza uczeniu się, ale uniemożliwia wykonanie wyuczonego zadania w 24 godziny po treningu, stwierdzono wzrost gęstości synaps, wzrost liczby pęcherzyków na synapsę oraz wydłużenie zgrubienia postsynaptycznego. W tej strukturze nie prowadzono jeszcze badań zmian kolców dendrytowych.

W wyniku treningu warunkowania ruchu migotki u królika, podczas którego w odpowiedzi na bodziec dźwiękowy poprzedzający dmuchnięcie w oko zwierzę uczy się zasłaniać je trzecią powieką, wstępne badania stwierdziły wzrost liczby rozgałęzień dendrytowych komórek Purkinjego kory móżdżku, struktury niezbędnej dla wyuczenia się tego zadania. Zwiększenie liczby rozgałęzień dendrytowych stwierdzono również w korze wzrokowej szczurów z rozszczepionym mózgiem, poddanych treningowi różnicowania wzrokowego. Zmiany rejestrowano wobec kontrolnej półkuli mózgu, do której nie docierały bodźce wzrokowe, ale która podlegała takim samym wpływom emocjonalnym, stresowym czy wynikającym z aktywności ruchowej co badana półkula. Badania prowadzone przez tę samą grupę uczonych stwierdziły również wzrost liczby synaps na komórkach Purkinjego móżdżku u szczurów po wyuczeniu ich zadań akrobatycznych. Kontrolą w tych doświadczeniach był intensywny trening ruchowy nie wymagający uczenia asocjacyjnego — powodował on wzrost gęstości naczyń krwionośnych, a nie synaptogenezę. Innym wynikiem treningu różnicowania wzrokowego, który otrzymano w korze wzrokowej królików, była zwiększona liczba synaps perforowanych.

W opisywanych badaniach zaangażowanie badanej struktury mózgu w proces uczenia się lub w pamięć było dowiedzione z mniejszą lub większą pewnością. Jednak nie wiadomo było, czy akurat badane neurony uległy zmianom elektrofizjologicznym lub biochemicznym. Dopiero badania na ślimakach z rodzajów Aplysia i Hermissenda pozwoliły zobaczyć, jakie zmiany zachodzą w synapsach neuronów, co do których wiadomo, że zaszła w nich zmiana odpowiedzi elektrycznej w wyniku uczenia się. U tych zwierząt łatwo jest zaobserwować duże i nieliczne neurony, łatwo jest też rejestrować ich odpowiedzi elektryczne i śledzić przebieg reakcji na bodziec zewnętrzny. U morskiego ślimaka Aplysia californica („zając morski") badane są (przede wszystkim przez zespół kierowany przez Erica Kandela) dwie formy uczenia nieasocjacyjnego, habituacja (stopniowe, lecz stosunkowo krótkotrwałe zmniejszanie się wrodzonej reakcji organizmu na powtarzający się bodziec) i sensytyzacja (uwrażliwienie), oraz warunkowanie, które autorzy nazywają warunkowaniem klasycznym. Dotknięcie syfonu lub płaszcza ślimaka powoduje odruchowe cofnięcie skrzela i syfonu. Jeśli słaby bodziec dotykowy powtarzać często, odruch się habi- tuuje. Jeśli zastosować silny bodziec dotykowy lub bólowy, reakcja cofania jest na pewien czas wzmożona (sensytyzacja). W swej najprostszej formie odruch cofania skrzela kontrolowany jest przez brzuszny zwój nerwowy, w którego obrębie badano interakcje pomiędzy neuronem czuciowym, interneuronem i neuronem ruchowym. Większość badań prowadzono na wyizolowanym zwoju brzusznym, badając proces uczenia się na drodze składającej się z trzech neuronów. Badania te wykryły zmiany odpowiedzi elektrycznej w neuronie czuciowym, wydłużenie depolaryzacji neuronu i szereg zmian biochemicznych.

Bailey i Chen opisali zmiany morfologiczne zachodzące w neuronie czuciowym Aplysia californica, w wyniku habituacji i sensytyzacji odruchu cofania skrzela. Podczas eksperymentu po wyuczeniu odruchu izolowano zwój, nastrzykiwano neuron czuciowy peroksydazą chrzanową, cały neuron rekonstruowano z grubych skrawków i z miejsc zakończeń synaptycznych wykonywano ultracienkie skrawki do mikroskopii elektronowej. Stwierdzono, że u zwierząt, u których wywołano długotrwałą sensytyzację odruchu, wzrastała liczba żylakowatości presynaptycznych, czyli zgrubień na przebiegu aksonu, z których mogą być uwalniane neuroprzekaźniki (neurony zwierząt kontrolnych mają średnio 1291 żylakowatości, zwierząt habituowanych — 836, a sensytyzowanych — 2697). Również drzewka aksonalne tych neuronów u zwierząt sensytyzowanych były większe. Wzrastała też długość strefy aktywnej synaps i liczba pęcherzyków w zakończeniach presynaptycznych (ryc. 6). Odwrotne zmiany zachodziły w neuronach czuciowych zwierząt wykazujących długotrwałą habituację odruchu.

Ryc. 6. Zmiany synaptyczne u Aplysia wg Chen i Bailey.

Neurofizjologia

Niedawno opublikowano dane dotyczące zmian anatomicznych zachodzących podczas warunkowania u Hermissenda crassicornis. U tego ślimaka badana była reakcja warunkowania zahamowania fototaksji. Polega ona na tym, że po zapaleniu światła ślimak idzie w jego kierunku, a przestaje iść i kurczy się pod wpływem zawirowań wody wywołanych rotacją naczynia, które pobudzają jego statocysty.

Kojarzenie włączenia bodźca świetlnego z wystąpieniem rotacji naczynia wytwarza zahamowanie fototaksji. Jest to reakcja znacznie bardziej skomplikowana niż cofanie skrzela u Aplysji. Warunkowanie jest skorelowane ze zmianami elektrycznymi i biochemicznymi jednego z dwóch typów fotoreceptorów oka ślimaka, typu B. Podobnie jak u Aplysia californica, zmiana polega na redukcji prądu potasowego, co wydłuża depolaryzację w pierwszorzędowym neuronie czuciowym, odpowiadającym na bodziec warunkowy.

W tym przypadku badacze poszli jeszcze krok dalej w związaniu zmiany odpowiedzi elektrycznej neuronu ze zmianą struktury tego neuronu. Po okresie treningu warunkowego do komórek typu B w oku Hermissenda crassicornis wprowadzono mikroelektrody, zarejestrowano oporność wejściową (o której wiadomo, że zmienia się w czasie warunkowania) i wstrzyknięto barwnik. Następnie układ nerwowy utrwalono, zatopiono w żywicy, znaleziono znakowane komórki i fotografowano zmieniając co mikron płaszczyznę ostrości, po czym zrekonstruowano znakowaną komórkę i jej zakończenia aksonu i określono objętość prostopadłościanu, w którym można zamknąć to drzewko końcowe. Okazało się, że zwiększenie oporu wejściowego komórki było skorelowane ze zmniejszeniem objętości takiego prostopadłościanu (ryc. 7). W badanym odruchu ślimak uczy się ignorować informację wzrokową. Wydaje się, że biochemiczne i elektrofizjologiczne zmiany powstające w wyniku warunkowania w fotoreceptorach B powodują redukcję zasięgu drzewka końcowego aksonu, czyli prawdopodobnie redukcję zasięgu wpływów synaptycznych tego fotoreceptora.

Ryc 7. Zmiany zakończenia aksonu u Hermissenda wg Alkono.

Z opisanych przykładów widać, że strukturalne zmiany na poziomie synaptycznym, wspólne dla plastyczności i pamięci to:

1) wydłużenie zgrubienia postsynaptycznego,

2) wzrost liczby pęcherzyków w zakończeniach synaptycznych,

3) wzrost wielkości główki kolców dendrytowych,

4) wzrost liczby kolców dendrytowych,

5) wzrost liczby synaps,

6) wzrost rozgałęzienia dendrytów.

Lokalna synaptogeneza może odbywać się poprzez podział istniejących synaps. Istnieje kilka zbliżonych teorii rozwoju synapsy przez narastanie perforacji w zgrubieniu postsynaptycznym, które prowadzi do podziału synapsy. Taki podział jednej dużej synapsy na dwie średniej wielkości może się wydawać bardziej prawdopodobny niż tworzenie synaps de novo, gdyż brak jest danych o występowaniu bezpośrednio po uczeniu się grupy bardzo małych synaps jakich można by się spodziewać przy bardzo szybkim ich powstawaniu w niewyspecjalizowanych miejscach błony komórkowej. Wrażenie lokalnej synaptogenezy może też powstawać na skutek przesuwania się synaps z jednych okolic w inne, np. z kolców na trzony dendrytów.

Nie można też na razie wykluczyć, że lokalna synaptogeneza jest większa, niż to wynika z otrzymywanych danych numerycznych, tylko że towarzyszy jej eliminacja synaps. Należy pamiętać, że liczba synaps w mózgu dorosłego zwierzęcia jest raczej stała, z pewną tendencją zniżkową, tak że jeśli przyjmujemy istnienie lokalnej synaptogenezy przy uczeniu się, to muszą też występować procesy (zapominanie?) redukujące liczbę synaps.           

Autor – Małgorzata Kossut

Ważne linki dotyczące autora:
Prof. Małgorzata Kossut - Zakład Neurobiologii Molekularnej i Komórkowej

Literatura uzupełniająca:
Małgorzata Kossut red. - Mechanizmy plastyczności mózgu

Multimedia:
Engram mieści się w wielu miejscach mózgu - badania FMRI nad umiejscowieniem engramów
Fascynujący film opisujący nie tylko działanie synapsy ale też powstawanie potencjału postsynaptycznego i przekazywanie sygnałów w mózgu

Zachęcamy do dyskusji na temat podanych w artykule treści
oraz wklejania linków do materiałów multimedialnych.
Redakcja