PØEHLEDNÉ ÈLÁNKY
Neurobiologie paměti Neurobiology of memory Hynie S., Klenerová V. Laboratoø biochemické neurofarmakologie, Ústav lékaøské biochemie, 1. lékaøská fakulta, Univerzita Karlova v Praze, Praha SOUHRN V úvodu pøehledu shrnujeme základní informace o pamìti a uvádíme publikace, které pøedstavují milníky ve studiu pamìti. Zmiòujeme se o hlavních metodách studia pamìti a pøedevším se zamìøujeme na neurobiologický pøístup. Cílem souèasného výzkumu je nalézt vztah mezi základními psychologickými fakty o pamìti a nálezy týkajícími se mechanismù úèastnících se pøi pamìśovém procesu. Toto studium sleduje, které mozkové struktury jsou ovlivnìny, co se dìje na synapsích a jak jsou ovlivnìny neurony. Podstatná èást pøehledu je vìnována synaptické plasticitì a dlouhodobé potenciaci (LTP), což jsou pøístupy studia in vitro, které napomáhají odhalit mechanismy uplatòující se pøi pamìśových procesech. Je uvedena rozhodující úloha AMPA a NMDA receptorù i øady signálních kaskád úèastnících se na pamìti. Detailnìji je popsána úloha hipokampu a parahipokampální formace, které jsou základními strukturami pro ukládání pamìti. Podrobnìji jsou probrány procesy konsolidace a rekonsolidace pamìti a systémy, které modulují pamìś. V závìru pøehledu je zmínìna indexová teorie, která vysvìtluje pochody ukládání a vybavování pamìti. Klíèová slova: pamìś, neurobiologie pamìti, konsolidace pamìti, synaptická plasticita, dlouhodobá potenciace, LTP, hipokampus, parahipokampální formace, indexová teorie SUMMARY In the introduction we summarized basic information about memory and indicated studies, which were milestones in the study of memory. Basic studies of memory are reviewed and neurobiological approach is highlighted. The aim of this investigation is to find the relationship among basic facts about memory and what are the underlying mechanisms. This study deals with the participating brain structures, what happens on the synapses and how neurons are influenced. Substantial part of the review is devoted to synaptic plasticity and long-lasting potentiation (LTP). They represent the in vitro approaches, which help to discover mechanisms that participate in memory. The decisive role of AMPA and NMDA receptors and signaling cascades for memory are presented. The role of hippocampus and parahippocampal formation for memory storage is described in more details. Processes of memory consolidation and reconsolidation are presented as well as mechanisms, which modulate memory processes. The review is closed by the index theory, which explains complicated situation in storage and retrieval of memory. Key words: memory, neurobiology of memory, memory consolidation, synaptic plasticity, long-lasting potentiation, LTP, hippocampus, parahippocampal formation, indexing theory Sixtus Hynie, Vìra Klenerová (Laboratory of Biochemical Neuropharmacology, Institute of Medical Biochemistry, First Faculty of Medicine, Charles University in Prague): Neurobiology of memory. Ès. fyziologie 59 (2): xxx4450 2010. xxx,
ÚVOD A VÝCHOZÍ POZNATKY Neurobiologie učení a paměti usiluje o nalezení podstaty a mechanismů, jak mozek uchovává a vybavuje informace o našich zkušenostech. Během uplynulých čtyř dekád došlo k prudkému rozvoji tohoto výzkumu a množství nových informací je shrnuto v řadě přehledů (Bird a Burgess, 2008; Československá fyziologie 59/2010 č. 2
Kandel, 2009; Minichiello, 2009; Rudy, 2008; Square, 2009; van Strien et al., 2009). Tento přehled navazuje na předchozí, kde jsme uvedli některé základní poznatky o paměti a jejích poruchách (Klenerová a Hynie, 2010). Zde se zaměříme především na způsoby testování učení a pamětí na laboratorních zvířatech, signální mechanismy a biochemické pochody na nervových synapsích, nové představy o uložení paměti 44
a na zapojení více oblastí mozku pro jeden typ paměti, což vysvětluje některé dříve nejasné paměťové pochody. Ještě před 40 léty nebyl znám ani mechanismus ukládání paměti ani nebyly známy mozkové struktury zodpovědné za uložení paměti, a dokonce nebylo ani známo, zda jde o synaptický nebo nesynaptický proces, a také se nevědělo, zda paměť je dána změnou elektrického pole nebo zda souvisí se strukturními změnami v mozku. Prvé zmínky o strukturální změně synapse při učení lze však nalézt již v práci Ramona y Cajala z roku 1894 (citace viz Rudy, 2008); tento vědec formuloval hypotézu o synaptické plasticitě, která uvádí, že neuronální aktivita mění sílu synaptického přenosu. Dalším milníkem ve výzkumu paměti a její strukturální podstatě byl nález skupiny Brendy Milnerové (Seville a Milner, 1957). V roce 1953 chirurg W. B. Scoville pacientovi H. M. chirurgicky odňal pro těžkou epilepsii oba mediální temporální laloky. To sice odstranilo záchvaty, ale zároveň navodilo trvalé poruchy dlouhodobé paměti (podrobnosti o kazuistice tohoto případu Seville a Milner, 1957; Klenerová a Hynie, 2010). Z těchto poruch paměti usoudili, že pro ukládání paměti jsou nutné hipokampus a amygdala. I když výsledky nedávných studií částečně modifikovaly tyto závěry, představovala zmíněná hypotéza kvalitativní skok v názorech na mozkové struktury zodpovědné za ukládání paměti. Velký pokrok přinesly experimentální studie paměti na bezobratlém měkkýši Aplysia Californica (mořský plž Zej kalifornský), za které Erich Kandel obdržel v roce 2001 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu (Kandel, 2001; 2009). Kandel se spolupracovníky přinesl průkazy o tom, že paměť má strukturální podstatu; u Aplysie odhalili místo paměťové stopy – tj. soubor synapsí spojujících senzorické neurony části těla aplysie, označované jako „siphon“, s motorickými neurony, které řídí obranný reflex („siphon withdrawal reflex“). Po opakovaných vyvoláních reflexu se zvětšují nervová zakončení a zvyšuje se intenzita procesů na nervových synapsích; jinými slovy vzniká synaptická plasticita (viz níže). Kromě anatomické lokalizace paměťových procesů a strukturálních změn na synapsích představovaly velký pokrok pro další rozvoj studia paměti poznatky Larry Squireho, který rozlišil paměť na deklarativní a nedeklarativní; prvá z nich je volně vybavitelná, zatímco do paměti nedeklarativní patří především paměť procedurální (Square, 1986). Rozdělení pamětí je uvedeno v boxu 1 a v našem předcházejícím přehledu (Klenerová a Hynie, 2010). Klasifikace paměti na deklarativní a nedeklarativní vedla k mnoha dalším studiím, které ukázaly, že tyto paměti využívají rozdílné anatomické struktury (viz níže). METODY STUDIA PAMĚTI V roce 1987 podal L. R. Squire (1987) užitečnou definici učení a paměti: „Učení je proces získávání nových informací, zatímco paměť se vztahuje k přetrvávání naučeného ve stavu, který může být vybaven později.“ Paměť je tedy schopnost organizmu ukládat a vybavovat informace získané osobními zkušenostmi. Každá zkušenost může vytvářet paměťovou stopu a tato počáteční paměť se může postupně oslabit až vymi45
Synaptická plasticita – Schopnost synapse mìnit „sílu“ pøenosu. Dlouhodobá potenciace – LTP – Pøetrvávající zvýšení synaptické síly navozené krátkým vysokofrekvenèním elektrickým stimulem. Long-term potentiation – LTP – viz dlouhodobá potenciace; dìlí se na S-LTP (krátkodobì trvající LTP) a L-LTP (dlouhodobì trvající LTP, která vyžaduje syntézu nových proteinù). fEPSP – Pøi studiu LTP se stimuluje axon presynaptického neuronu a na postsynaptickém neuronu se mìøí pole (field) excitaèního postsynaptického potenciálu fEPSP. Uèení – Závisí na plasticitì neuronálních okruhù v mozku, tj. na schopnosti neuronù zmìnit úèinnost synaptických pøenosù. Mozek je schopen uchovávat informace v modifikovaných synapsích a vyvolávat je aktivací tìchto neuronálních sítí. Pamìś krátkodobá a dlouhodobá – Trvá vteøiny až minuty resp. hodiny až roky. Pamìś deklarativní – Volnì vybavitelná a zahrnuje pøedevším pamìś epizodickou a sémantickou. Pamìś nedeklarativní – Není volnì vybavitelná a týká se pamìti procedurální. Epizodická pamìś – Epizodická pamìś je to, co vìtšina lidí považuje za pamìś. Extrahuje a ukládá obsah zkušeností (epizod). Tato pamìś umožòuje vìdomé vzpomenutí na dìje a události, které jsme zažili. Pøi poruše hipokampu si èlovìk nepamatuje ezizodické události a je tak odpojen od minulosti. Sémantická pamìś – Ukládá všeobecné koncepèní a faktické znalosti, které se nevztahují ke konkrétní epizodické události. Procedurální pamìś – Týká se schopnosti nauèit se behaviorální a kognitivní dovednosti a algoritmy, které se užívají automaticky a podvìdomì (je to nedeklarativní pamìś). Konsolidace pamìti – Je to zmìna pamìti z vulnerabilní na ménì vulnerabilní.
Box 1: Typy pamìtí a základní pojmy uvádìné v neurobiologii pamìti.
zet, nebo se naopak může upevnit, tj. konsolidovat se (Nadel a Moscovitch, 1997). Protože nelze paměť přímo pozorovat, testuje se chováním. Narušení paměti může nastat buď zabráněním jejího uložení, nebo znemožněním jejího vybavení. Výzkum paměti vždy spočívá v učení (tréninku) a následně v testování. Dokud nedokážeme, že zkušenost změnila výsledek v testu chování, nemáme žádný důkaz, že se vytvořila paměťová stopa. Mezi základní metody studia pamětí patří: 1) behaviorální metody zahrnující ovlivnění paměti podmíněnými refleČeskoslovenská fyziologie 59/2010 č. 2
xy (Pavlov, 1927) nebo postupem označovaným jako instrumentální učení, který sleduje, jak dochází k adaptaci chování v důsledku aktivní činnosti zvířete (mačkání páčky např. pro zisk potravy) (Thorndike, viz Rudy, 2008); 2) morfologické léze sledující jak poškození určitých oblastí mozku ovlivňuje paměť a chování (např. Milner, 1970); 3) studium biochemických změn v důsledku paměťových pochodů a jejich ovlivnění metodami genetického inženýrství; 4) zobrazovací techniky (např. van Strien et al., 2008).
LTP indukující podnět
Vysokofrekvenční stimulus a navozené biochemické interakce
Zvýšení AMPA receptorové funkce
Změna struktury dendritových trnů
Vazba pre- a postsynaptických struktur
Animální behaviorální testy paměti Existuje mnoho testů na zvířatech, jejichž varianty se užívají pro studium různých typů paměti a možností jejich ovlivnění (Bureš et al., 1983). Mezi nejznámější testy učení a paměti patří pasivní a aktivní vyhýbání, averzivní a pozitivní podmiňování, instrumentální učení a velká řada testů pro prostorové učení, z nichž velkou oblibu získalo Morrisovo vodní bludiště (Morris, 1981; Morris et al., 1982). Neurobiologický přístup ke studiu paměti Cílem je nalézt vztah mezi pozorovanými behaviorálními změnami a tím, co se děje v mozku důsledkem paměťového procesu. Hledány jsou mozkové struktury ovlivněné učením a pamětí a změny na neuronální a synaptické úrovni. Mechanismy paměti jsou často studovány za arteficiálních podmínek, jako je model dlouhodobé potenciace a tzv. synaptické plasticity (viz níže). Sledovány jsou především morfologické změny na synapsích a regulační pochody na biochemické a molekulární úrovni. Nalezené změny netvoří to, co nazýváme paměť, ale jsou základem pro studium paměti in vivo. SYNAPTICKÁ PLASTICITA A DLOUHODOBÁ POTENCIACE (LTP) Dnes již nikdo nepochybuje o tom, že paměť se uskutečňuje v mozku a jeho neuronech, ale mechanismy zodpovědné za procesy učení a paměti nejsou dosud plně objasněny a jejich studium je i dnes dlouhodobou výzvou neurobiologického výzkumu (Kandel, 2009). Jsou to neuronální spojení (synapse), která jsou ovlivněna našimi zkušenostmi, a navozené změny se označují jako synaptická plasticita (Lu a Gottschalk, 2000; Bramham a Messaoudi, 2005); jinak formulováno, paměť je změna synaptické síly, tedy jak snadno akční potenciál v jednom neuronu excituje nebo inhibuje svou cílovou buňku. Synaptická plasticita je jedním ze základů učení a paměti – viz tzv. Hebbian theory (Hebb, 1949). Při studiu paměti je často využíván model synaptické plasticity. Bliss a Lomo (1971) objevili pochody označované jako dlouhodobá potenciace, angl. „long-term potentiation“ (LTP). Lze ji vyvolat ve tkáňových řezech hipokampu. Využívá se stimulace axonů salvou podnětů a v oblasti postsynaptických neuronů jsou následně měřeny změny elektrického pole, jejichž podkladem je sumace excitačních postsynaptických potenciálů (fEPSP). Zjednodušené schéma procesů vedoucích k LTP je uvedeno na obr. 1. LTP je proces, při kterém docháČeskoslovenská fyziologie 59/2010 č. 2
Prodloužená synaptická síla
L-LTP
Obr. 1: Pochody probíhající na synapsích pøi dlouhodobé potenciaci (LTP). Podnìt vedoucí k LTP zaèíná jako vysokofrekvenèní stimulace, která zahajuje øadu biochemických pochodù majících za následek zvýšení funkce AMPA receptorù, dále dochází ke zmìnì struktury dendritických výbìžkù, což umožòuje jejich vazbu na presynaptické struktury, a to vyústí ve zvýšenou synaptickou sílu a L-LTP (dlouhodobì trvající LTP). Volnì podle Rudy (2008).
zí k zesílení synaptické plasticity a opakem LTP je dlouhodobá deprese (LTD). Podkladem obou procesů je několik mechanismů, které vzájemně spolupracují k dosažení synaptické plasticity; dochází ke změnám na presynaptickém neuronu (změna uvolňování neurotransmiterů) i na postsynaptickém neuronu, které určují jeho efektivitu k účinkům neurotransmiterů. Modelové systémy pro studium paměti Mechanismy, které se podílejí na paměťových procesech, lze studovat v pokusech in vitro. Nejčastěji se využívá model označovaný jako LTP. Ta se uskutečňuje pomocí chemické neurotransmise za účasti receptorů pro glutamát. Ionotropní receptory, označované podle hlavních agonistů, mají pro tento jev základní význam. Mezi dva nejdůležitější patří receptory pro AMPA (alfa-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazol-propionát) a NMDA (N-methyl-D-aspartát) (Li a Tsien, 2009). Primární úlohou AMPA receptorů stimulovaných glutamátem je umožnění průniku Na+ do dendritů postsynaptického neuronu, což následně vede k jeho depolarizaci. Stimulace NMDA receptoru glutamátem umožní vstup Ca2+ do neuronu za dvou podmínek: za prvé, neuron musí být depolarizován, a za druhé, navázaný glutamát vede k uvolnění navázaných Mg2+, které mají inhibiční účinek na průnik iontů NMDA receptorem (odstranění hořčíkové ucpávky na NMDA kanálu). Vápníkové ionty proniklé do neuronu stimulují nitrobuněčné pochody, které se manifestují jako LTP (Minichiello, 2009). Úloha Ca2+ pro navození LTP je známa a je prokázáno, že tento iont představuje hlavní molekulu indukující plasticitu synapsí (Rudy, 2008). Zvýšení nitrobuněčné koncentrace těchto vápníkových iontů nastává nejen stimulací NMDA receptorů, ale k nahromadění Ca2+ dochází i působením inositol-tris-fosfátu 46
(IP3) a v důsledku aktivace napěťově závislých vápníkových kanálů (voltage dependent calcium channels – VDCC). Vápníkovými ionty indukovaná LTP má tři typy (Raymond a Redman, 2002; 2006), které se liší nahromaděním Ca2+ v různých buněčných oddílech a mediátory jejich uvolnění. LTP1 je indukován při vazbě na NMDA receptor, LTP2 je indukován silnějšími stimuly a vede k místní syntéze proteinů a LTP3 vzniká při nejsilnějším stimulu a zahajuje genovou transkripci v jádře. V důsledku obsazení kalmodulinu Ca2+ a aktivace CaM-kinázy II (CaMKII) se fosforylují četné receptory, enzymy a další proteiny, které se podílejí na LTP. Aktivací adenylylcyklázy se vytváří cAMP, který aktivuje PKA a následně CREB (Minichiello, 2002). Ke zvýšení LTP dochází také stimulací receptoru tyrosinkinázy TrkB (jinak označované také NTRK2) (Minichiello, 2009). K dalšímu zesílení synaptické plasticity dochází v důsledku fosforylace řady substrátů, včetně AMPA receptorů. Dochází dokonce k syntéze nových AMPA receptorů, které jsou transportovány do plazmatické membrány (Malenka a Bear, 2004); některé z nich dokonce propouštějí Ca2+. Významnou úlohu v navození LTP hraje také aktivace fosfolipázy C, zvýšení Ca2+ a fosforylace mnoha buněčných proteinů. Pro výsledný typ paměti je rozhodující, zda dojde k aktivaci syntézy proteinů. Krátkodobá paměť nevyžaduje syntézu nových proteinů, ale ta je třeba pro dlouhodobou paměť (Sutton a Schuman, 2006), což vyplývá z pokusů s použitím inhibitoru proteinové syntézy. Zvýšení synaptické síly se projevuje jako nárůst fEPSP. V určitém rozmezí je tím vyšší, čím je silnější indukční stimulus. Délka trvání LTP závisí na síle stimulu a v experimentech má krátkodobá a dlouhodobá LTP své označení (Frey a Morris, 1997, 1998). S-LTP (short-lasting LTP) vzniká změnou již přítomných proteinů a nezávisí na posttranslačních procesech. L-LTP (long-lasting LTP) je závislá na syntéze nových proteinů, při nichž se mimo jiné uplatňuje i CREB. Síla synapse je korelátem velikosti změny transmembránového potenciálu vyvolané aktivací postsynaptických receptorů.V posledním období byla publikována řada nových poznatků o mechanismech zesílení synaptické síly, které si zaslouží samostatný přehled. Zde jen zmíníme existenci podtypů AMPA receptorů, které závisí na odlišném složení z podjednotek GluR1 a GluR2. Záměna prvé podjednotky druhou v membránových AMPA receptorech neuronů je zodpovědná za indukci LTP (Derkach et al., 2007). Dále se na indukci LTP podílí aktivace CaMKII a její spolupráce s proteinkinázami PKA a PKC, které vedou ke zmnožení AMPA receptorů (Minichiello, 2009). Fosforylační procesy se podílejí také na fosforylaci AMPA receptorů na třech různých místech s různou funkcí. Pro navození S-LTP nebo L-LTP je nutné také jakési označení („tagging“) synapsí, na kterých probíhá vychytání tzv. produktů plasticity (Frey a Morris, 1997). Pro stabilitu synapsí je nutná činnost adhezivních proteinů aktinu a kadherinů, které umožňují vzájemnou vazbu pre- a post-synaptických neuronů (Huntley et al., 2002). Nedávno byl popsán postsynaptický protein Neto 1, který se váže na NMDA receptor, umožňuje vazbu PSD95 (scaffolding postsynaptic density 95) proteinů a podporuje synaptickou plasticitu a učení (Ng et al. 2009).
47
Entorhinální kůra Perforantní cesta Gyrus dentatus
Mechová vlákna
CA3 pyramidové buňky Schaferovy kolaterály CA1 pyramidové buňky a subikulum
Obr. 2: Tok informací pøi LTP v hipokampu potkana.
ÚČAST HIPOKAMPU A PARAHIPOKAMPÁLNÍ FORMACE V UČENÍ A PAMĚTI Pro vznik LTP má prvořadý význam hipokampus. Má zajímavou anatomickou strukturu, která umožňuje uložení paměti v různých částech mozku (van Strien et al., 2009). Tok informací v této části mozku potkana je velmi komplexní (Bird a Burgess 2008; van Strien et al., 2009), a zjednodušené schéma je uvedeno na obr. 2. Vlastní hipokampus má tvar dvou písmen C zaklesnutých do sebe, ale nejvíce se podobá tvaru mořského koníka. Skládá se ze tří oblastí: gyrus dentatus (DG), vlastní hipokampus (CA3, CA2, CA1) a subikulum. Všechny tyto části mají 3 vrstvy s odlišnou strukturou a funkcí (van Strien et al., 2009).
Talamus
Hypotalamus
Bazální front. lalok
Mamilární tělesa Jádra septa
Hipokampus Subikulum
Presubikulum
Amygdala
Subkortikální spoje Entorhinální kůra
Perirhinální kůra
Frontální lalok
Kortikální spoje
Parahipokampální kůra
Spánkový lalok
Temenní lalok
Obr. 3: Hipokampus a jeho neuronální spojení. Hipokampus leží v mediotemporálních lalocích a je obklopen entorhinálním, perirhinálním a parahipokampálním kortexem. Vìtšina neokortikálních vstupù jde tìmito korovými oblastmi a výstupy jsou pøes subikulum. Subkortikální spojení hipokampu jsou oznaèena èervenì a kortikální èernì. Pracovní zraková pamìś („visual working memory“, VWM) zpracovává komplexní objekty v perirhinální kùøe, zatímco prosté objekty jsou zpracovávány v parahipokampální kùøe. Vzpomínání je závislé na hipokampu, zatímco tzv. familiarita je zprostøedkována spojeními mezi perirhinálním kortexem a mediálními dorsálními talamickými jádry.
Československá fyziologie 59/2010 č. 2
Protože tvoří komplexní strukturu, označuje se často jako hipokampální formace (HF). Parahipokampální oblast (PHR) přiléhá k subikulu a skládá se z pěti částí: presubikulum, parasubikulum, entorhinální kortex (EC, má mediální a laterální část), perirhinální kortex (s Broadmannovou oblastí 35 a 36) a postrhinální kortex. Všechny její části mají šest vrstev s odlišnými synapsemi. V literatuře je popsáno na 1600 vzájemných spojení mezi HF a PHR. Obr. 3 představuje velmi zjednodušené schéma propojení hipokampální a parahipokampální formace, které se podílejí na mnoha projevech paměti. EC je považován za strukturu pro vstup a výstup paměťových signálů, která udržuje informace oddělené využitím dvou cest, do laterální a mediální části EC; prvá informuje o neprostorových a druhá přenáší prostorové informace. Existují i údaje, že oba typy informací mohou spolu asociovat v entorhinálním kortexu (van Strien et al., 2009). Podle jedné představy EC uchovává univerzálnější zastoupení asociovaných informací, zatímco HF je více zapojena do zpracovávání informací pro „pattern separaration“ a „pattern completion“ (viz níže). EC může uchovávat obecnější mapu, která je nutná pro navigaci v hipokampální formaci (van Strien et al., 2009). Asociační sítě v CA3 se zdají být podstatné pro zakódování a uložení epizodické paměti. Zpětné vazby v této oblasti mohou představovat několikanásobnou aktivaci, která může být podkladem pro stabilní stav paměti. Konsolidace paměti Paměť rozlišujeme na krátkodobou a dlouhodobou (Klenerová a Hynie, 2010). U každé z nich je odlišná aktivita paměťového procesu (Lewis, 1979). Informace uložené v dlouhodobé paměti se nacházejí v inaktivním stavu, jen pomalu mizí a jsou málo zranitelné. Podle teorie aktivní stopy (Lewis, 1979) nová zkušenost vede ke krátkodobé paměti s aktivním stavem. Aktivní stav umožňuje rychlé mizení paměti, která je navíc snadno zranitelná; neboli těsně po učení je paměťová stopa vulnerabilní. Krátkodobá paměť se postupně mění na dlouhodobou paměť s neaktivním stavem, která je málo zranitelná. Dlouhodobá paměť může být aktivována do aktivního stavu; ta je opět zranitelná nebo přejde zpět do dlouhodobé paměti. Konsolidace paměti je změna paměti z vulnerabilní na méně vulnerabilní, což se děje konsolidačními procesy (Nadel a Moskovitch, 1997). Nové nálezy ukazují, že paměť pro určitý typ informace se vyvíjí díky sledu několika paměťových stop (McGaugh, 2002). V průběhu mizení krátkodobé paměti již pomalu nastupuje dlouhodobá paměť, takže s odstupem času vlastně nevíme, kterou paměť vybavujeme. Je známo, že na procesech spojených s tvorbou paměti se podílejí glutamátové receptory. NMDA receptory se podílejí na akvizici (nabytí), ale ne na vybavení paměti. AMPA receptory se podílejí jak na akvizici, tak na vybavení paměti (Rudy, 2008). Byly objeveny látky označované jako ampakiny, které se vážou na receptory spolu s glutamátem a zvyšují kognitivní funkce (Staubli et al., 1994). Na rozdíl od krátkodobé paměti vytvoření dlouhodobé paměti vyžaduje, aby v neuronech proběhla jak transkripce, tak Československá fyziologie 59/2010 č. 2
Zkušenost / učení
Místa uložení a konsolidace paměti
Adenohypofýza ACTH
Neokortex BLA NA/A Hipokampus a další struktury
glukokortikoidy nadledvina
Obr. 4: Modulace pamìśové stopy (BLA – bazolaterální amygdala; NA/A – noradrenalin/adrenalin).
i translace nových proteinů, které jsou zodpovědné za změny plasticity synapsí; to je prokázáno možností inhibice vzniku dlouhodobé paměti některými inhibitory proteinové syntézy. Experimenty již odhalily i některé účastnící se proteiny. Je to např. „target-of-rapamycin“ (mTOR); rapamycin injikovaný do amygdaly zhoršuje dlouhodobou paměť (Parson et al., 2006). Dále je důležitá též tvorba elongačního faktoru eEF1A, který kontroluje translaci proteinů. Zajímavá je tzv. rekonsolidační teorie (Nader et al., 2000), která předpokládá, že vybavení paměti (často pomocí narážek – „retrieval cues“) může jak přerušit vazby na synapsích, tak narušit paměťovou stopu, a dále zahájit novou syntézu proteinů umožňujících restabilizaci paměťové stopy. Power et al., (2006) ukázali, že anisomycin injikovaný do hipokampu neblokoval rekonsolidaci, ale zhoršil vyhasínání paměti. SYSTÉMY MODULUJÍCÍ PAMĚŤ Zkušenost ukazuje, že dlouhodobá paměť vzniká učením a opakováním a projevuje se výrazněji, pokud je spojena se silnými emocemi. Dlouhodobá paměť je uložena v neuronálních okruzích a je ovlivňována jinými okruhy, které mají modulující účinky. Konsolidace paměti je také ovlivňována např. hormony nadledvin. Ty působí na bazolaterální n. amygdaly (BLA) a odtud ovlivňují další místa uchovávající paměť (McGaugh, 2000). NA působící v amygdale zesiluje paměť v dalších oblastech mozku. NA působí i na glutamátové receptory hipokampu, kde se podílí na fosforylaci dvou míst na GluR1, což umožňuje přesun receptorů do dendritických výběžků. Tyto poznatky umožňují hledání látek, které by pomáhaly ovlivnit paměťovou stopu anxiety a případně post-traumatickou stresovou poruchu. Amygdala je struktura, která má silný modulační účinek na paměť. Obr. 4 uvádí místa uchovávající paměť a jejich ovlivnění z BLA a ovlivnění hormony nadledvin. Působení NA se uskutečňuje prostřednictvím nucleus tractus solitarius (NTS za účasti n. vagus). Při stimulaci mozku (arousal) se také aktivuje locus coeruleus, s následným působením NA v nejrůznějších oblastech 48
Ukládání paměti
Vybavení paměti
Neokortex
Hipokampus
Vytváření indexu paměťových stop
Část paměťových stop aktivuje index
Celý index umožní vybavení celé paměti
Obr. 5: Hipokampální index pøi ukládání a vybavování pamìti.
mozku (Gelinas a Nguyen, 2005). Díky působení NA dochází k fosforylaci dvou míst na AMPA GluR1, což usnadní přenos AMPA receptorů do dendritických výběžků. Úloha acetylcholinu při učení a paměti je zkoumána především v souvislosti s Alzheimerovou chorobou. HIPOKAMPUS, HIPOKAMPÁLNÍ INDEX A EPIZODICKÁ PAMĚŤ Epizodická paměť (Box 1; Klenerová a Hynie, 2010) je to, co většina lidí považuje za paměť. Extrahuje a ukládá obsah zkušeností (epizod). Při poruše hipokampu si člověk nepamatuje epizodické události a je tak odpojen od minulosti. Zopakujme některé vlastnosti epizodické paměti: 1) Podporuje vědomé ukládání a vybavování časově-prostorových informací pro pozdější vybavení. 2) Umožňuje automatické zachycení epizod a náhodných informací. 3) Má schopnost uchovat informace, které se udály jen jednou, a oddělit je od jiných podobných informací. U epizodické paměti má vybavování následující vlastnosti: a) Vědomě umožňuje zahájit hledání v paměti. b) Umožňuje uvědomovat si, že paměťová stopa byla úspěšně aktivována. c) Prostorový nebo časový kontext (souvislost), který byl uložen při tvorbě epizodické paměti, hraje rozhodující úlohu při vzpomínce závislé na vybavení kontextu („recollection dependent on the context retrieval“). Experimentálně lze studovat epizodickou paměť metodou označovanou „The delayed nonmatching-to sample task“ (Mishkin, 1978). Je to metoda, kdy si musí opice pamatovat, že nová odměna nebude v místě, kde byl původní vzorek (např. klíč). Z těchto pokusů byl učiněn důležitý závěr, že epizodická paměť je porušena při destrukci jak hipokampu, tak amygdaly. Squire (1987) však prokázal, že za poruchu uvedené paměti je rozhodující porucha okolního kortexu, kterým je rhinalní cortex.
49
K objasnění úlohy hipokampu při epizodické paměti přispěly některé novější studie, které odpovídají na otázky, jak si hipokampus a přiléhající kortikální struktury ukládají naši minulou zkušenost a jakým mechanismem ji vybavují. Na tuto otázku odpovídá teorie o vytváření indexů paměťových záznamů, tzv. teorie indexů nebo indexová teorie (Teyler a DiScenna, 1986; Teyler a Rudy, 2007) (obr. 5). Kritickou strukturou pro epizodickou paměť je celý hipokampální systém na rozdíl od sémantické paměti, která není úplně zničena při odstranění hipokampu. Informace plynou z neokortikálních struktur do hipokampu a vrací se zpět do těchto struktur. Indexová teorie předpokládá, že paměť je uložena v neokortikálních strukturách a hipokampus umožňuje indexování pamětí pro jednotlivé události. Když je index aktivován, umožňuje přehrání dotyčné aktivity, která je pamětí příslušné epizody. Hipokampus tedy umožňuje uskutečnit proces, který se označuje jako „pattern completion“ (dokončení daného vzorce události) (Leutgeb a Leutgeb, 2007; Rudy, 2008). V tomto procesu jen část zkušenosti, která vytvořila paměťovou stopu, může aktivovat přehrání celé zkušenosti, tj. část původní epizody může aktivovat vybavení celé události (pattern). „Pattern separation“ (oddělení událostí) je proces, který umožňuje oddělení od sebe velmi podobných událostí, které se však udály v jiném časovém období a za jiných okolností (Rudy, 2008). Pattern completion a pattern separation jsou základní procesy pro indexování jednotlivých epizodických pamětí na rozdíl od sémantické paměti, která není spojena s kontextem. Ke konsolidaci epizodické i sémantické paměti (Myers et al., 2003; Rudy, 2008) je nutná účast neokortikální oblasti. Podle separatistické teorie sémantická paměť nevyžaduje účast hippokampu, což není univerzálně přijímáno. Po proběhlé konsolidaci paměti k jejímu vybavení již není nutný mediální temporální hipokampální systém. Podrobnější údaje o těchto procesech, o teorii mnohočetných stop paměti (Nadel et al., 2000) a o dalších typech chování, jako jsou akce a návyky (Killcross a Coutureau, 2003; Bratcher et al., 2005), jsou již mimo rámec tohoto přehledu. Poděkování: Podporováno grantem MSM 0021620806.
prof. MUDr. Sixtus Hynie, DrSc. ÚLB, 1. LF UK v Praze Albertov 4, 128 00 Praha 2 E-mail:
[email protected]
Československá fyziologie 59/2010 č. 2
LITERATURA 1. 2.
3.
4.
5.
6.
7. 8.
9.
10.
11. 12.
13. 14. 15. 16. 17.
18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
25.
Bird CM, Burgess N. The hippocampus and memory: insights from spacial processing. Nature Reviews Neuroscience 2008; 9: 182-194. Bliss TV a Lomo T. Long lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J. Physiology 1973; 232: 331-356. Bramham CR, Messaoudi E. BDNF function in adult synaptic plasticity: the synaptic consolidation hypothesis. Prog Neurobiol 2005; 76: 99-125. Bratcher NA, Farmer-Dougan V, Dougan JD, Heidenreich BA, Garris PA. The role of dopamine in reinforcement: changes in reinforcement sensitivity induced by D1-type, D2-type, and nonselective dopamine receptor agonists. J Exp Anal Behav 2005; 84: 371–399. Bureš J, Burešová O, Huston JP. Techniques and basic experiments for the study of brain and behavior. Elsevier Science Publischers B.V. Amsterdam, New York, 1983. Derkach VA, Oh MC, Guire ES, Sonderling TR. Regulatory mechanisms of AMPA receptors in synaptic plasticity. Nature Reviews Neuroscience 2007; 8: 8101-8113. Frey U, Morris RG. Synaptic tagging and long-term potentiation. Nature 1997; 385: 533-536. Frey U, Morris RG. Synaptic tagging: implications for late maintenance of hippocampal long-term potentiation. Trends in Neurosciences 1998; 21: 181-188. Gelinas JN, Nguyen PV. Beta-adrenergic receptor activation facilitate induction of a protein synthesis-dependent late phase of long-term potentiation. Journal of Neuroscience 2005; 25: 3294-3303. Hebb DO, Penfield W. Human behaviour after extensive bilateral removal from the frontal lobes. Archives of Neurology and Psychiatry 1940; 44: 421-436. Hebb DO. The organization of behavior. New York: Wiley, 1949. Huntley GW, Gil O, Bozdagi O. The cadherin family of cell adhession molecules: multiple roles in synaptic plasticity. Neuroscientist 2002; 8: 221-233. Kandel ER. The molecular biology of memory storage: A dialogue between genes and synapses. Science 2001; 294: 1030-1038. Kandel ER. The biology of memory: A forty-year perspective. The Journal of Neuroscience 2009; 29: 850-860. Killcross S, Coutureau E. Coordination of actions and habits in the medial prefrontal cortex of rats. Cereb Cortex 2003; 13: 400-408. Klenerová V, Hynie S. Paměť a její poruchy. Čs. fyziologie 2010; 59: 15-20. Leutgeb S, Leutgeb JK. Pattern separation, pattern completion, and new neuronal codes within a continuous CA3 map. Learn Mem 2007; 14: 745-757. Lewis DJ. Psychobiology of active and inactive memory. Psychological Bulletin 1979; 86: 1054-1083. Li F a Tsien JZ. Memory and the NMDA receptors. N Engl J Med 2009; 361: 302-303. Lu B, Gottschalk W. Modulation of hippocampal synaptic transmission and plasticity by neurotrophins. Prog Brain Res 2000; 128: 231-241. Luis DJ. Psychobiology of active and inactive memory. Psychological Bulletin 1979; 86: 5881-5887. Malenka RC a Bear MF. LTP and LDP: an embarrassment of riches. Neuron 2004; 44: 5-21. McGaugh JL. Memory consolidation and the amygdala, a system perspective. Trends in Neurosciences 2002; 25: 456-462. McGaugh JL, Roozendaal B, Cahill L. Modulation of memory storage by stress hormones and the amygdala complex. In: Gazzaniga MS (Ed.) The new cognitive neurosciences, Cambridge, MA: MIT Press 2000; pp. 1981-1998. Milner B. Memory and the medial tempoval lobe regions of the brain. In KH Pribram and DE Broadbent (Eds.). Biology of Memory, Academic Press, New York 1970; pp. 29-50.
Československá fyziologie 59/2010 č. 2
26. Minichiello L. TrkB signalling pathways in LTP and learning. Nature Reviews Neuroscience 2009; 10: 182-194. 27. Mishkin M. Memory in monkeys severly impaired by combined but not by separate removal of amygdala and hippocampus. Nature 1978; 273: 297-298. 28. Morris RGM. Spatial localization does not require the presence of local cues. Learning and motivation 1981; 12: 239-260. 29. Morris RGM, Garrud P, Rawlins JNP, O‘Keefe J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature 1982; 297: 681-683. 30. Myers CE, Shohamy D, Gluck MA, Grossman S, Onlaor S, Kapur N. Dissociating medial temporal and basal ganglia memory systems with a latent learning task. Neuropsychologia 2003; 41: 1919-1928. 31. Nadel L, Moscovitch M. Memory consolidation, retrograde amnesia and the hippocampal complex. Current Opinion in Neurobiology 1997; 7: 217-227. 32. Nadel L, Samsonovich A, Ryan L, Moscovitch M. Multiple trace theory of human memory: computational, neuroimaging, and neuropsychological results. Hippocampus 2000; 10: 352-68. 33. Nader K, Schafe DJ, LeDoux JE. Fear memories require protein synthesis in the amygdala for reconsolidation after retrieval. Nature 2000; 406: 722-726. 34. Ng D, Pitcher GM, Sziland RK et al. Neto 1 is a novel CUB domain NMDA receptor-interacting protein required for synaptic plasticity and learning. PloS Biol 2009; 7: e41. 35. Parsons RG, Gafford GM, Baruch DE. Riedner BA, Helmstetter FJ. Long-term stability of far memory depends on the synthesis of protein but not mRNA in the amygdala. Eur J Neuroscience 2006; 23: 18531859. 36. Pavlov IP. Conditioned reflexes. Oxford University Press, London 1927. 37. Power AE, Berlau DJ, McGaugh JL, Stewart O. Anisomycin infused into the hippocampus fails to block „reconsolidation“ but impairs extinction: the role of re-exposure duration. Learning and Memory 2006; 13: 27-34. 38. Raymond CR, Redman SJ. Different calcium sources are narrowly tuned to the induction of different forms of LTP. Journal of Neurophysiology 2002; 88: 240-255. 39. Raymond CR, Redman SJ. Spatial segregation of neuronal calcium sinagls encode different forms of LTP in rat hippocampus. Journal of Physiology 2006; 570: 97-111. 40. Rudy JW. The neurobiology of learning and memory. Sinauer Associates, Inc. MA, USA, 2008. 41. Seville WB a Milner B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry 1957; 20: 11-12. 42. Squire LR. Mechanisms of memory. Science 1986; 232: 1612-1619. 43. Squire LR. Memory and brain. Oxford University Press, New York 1987. 44. Squire LR. Memory and brain systems:1969-2009. The Journal of Neuroscience 2009; 29: 12711-12716. 45. Staubli U, Rogers G, Lynch G. Facilitation of glutamate receptors enhances memory. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994; 91: 777-781. 46. Sutton MA a Schuman EM. Dendritic protein synthesis, synaptic plasticity, and memory. Cell 2006; 127: 49-57. 47. Teyler TJ, DiScenna P. The hippocampal memory indexing theory. Behavioral Neuroscience 1986; 100: 147-152. 48. Teyler TJ, Rudy J.W. The hippocampus indexing theory of episodic memory: updating the index. Hippocampus 2007; 17: 1158-1169. 49. Van Strien NM, Cappaert NLM, Witter MP. The anatomy of memory: an interactive overview of the parahippocampal-hipocampal network. Nature Reviews Neuroscience 2009; 10: 272-282. 50. Van Strien NM, Scholte HS, Witter MP. Activation on the human medial temporal lobes by stereoscopic depth cues. NeuroImage 2008; 40: 1815-1823.
50
