Hukommelsesdannelse afhænger af både synapsespecifikke modifikationer af synaptisk styrke og cellespecifikke stigninger i excitabilitet

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 uafhængigt modificerbare synapser, er potentialet for informationslagring ved synaptisk modifikation enormt. Nyligt arbejde tyder imidlertid på, at CREB-medierede globale ændringer i neuronal excitabilitet også spiller en kritisk rolle i hukommelsesdannelse. Fordi disse globale ændringer har en beskeden kapacitet til informationslagring sammenlignet med synaptisk plasticitet, har deres betydning for hukommelsesfunktionen været uklar. Her gennemgår vi de nyligt opståede beviser for CREB-afhængig kontrol af excitabilitet og diskuterer to mulige mekanismer. For det første udfører den CREB-afhængige forbigående ændring i neuronal excitabilitet en hukommelsesallokeringsfunktion, der sikrer, at hukommelsen lagres på måder, der letter effektiv kobling af begivenheder med tidsmæssig nærhed (timer). For det andet kan disse ændringer fremme cellesamlingsdannelse under hukommelseskonsolideringsfasen. Det har været uklart, om sådanne globale excitabilitetsændringer og lokale synaptiske mekanismer er komplementære. Her argumenterer vi for, at de to mekanismer kan arbejde sammen for at fremme nyttig hukommelsesfunktion.

Belysningen af ​​de molekylære, cellulære og netværksmekanismer, der ligger til grund for indlæring og hukommelse, har været et hovedmål for moderne neurovidenskab. I et vigtigt tidligt bidrag foreslog Donald Hebb, at de associationer, der udgør en hukommelse, lagres ved hjælp af aktivitetsafhængige ændringer i styrken af ​​synapser!. Meget efterfølgende arbejde har vist, at synapser i virkeligheden gennemgår aktivitetsafhængig styrkelse som forudset af Hebb og gør det via LTP (og den komplementære langtidsdepression (LTD)-proces)3. I den kanoniske form af LTP fundet ved CAI hippocampale synapser afhænger LTP-induktion af en bestemt type glutamatreceptor, NMDAR, og af en biokemisk kaskade initieret og vedligeholdt af det rigelige synaptiske protein calcium/calmodulin-afhængige proteinkinase II(CaMKII)3 . Det er vigtigt, at genetiske modifikationer, der interfererer med NMDAR- eller CaMKII-funktionen, ikke kun blokerer LTP, men producerer også dybe underskud i indlæring og hukommelseslagring. Omvendt forbedrer næsten alle mutationer, der forbedrer hukommelsen, også LTP. Andet arbejde har vist, at LTP, når først det er induceret under læring7, kan modificeres tovejs ved LTD/LTP-lignende stimulering, hvilket fører til både reduktion og genfremkomst af hukommelsesstyret adfærd8. Hippocampus pyramidale neuroner har mere end 10,000 synapser, og fordi hver synapse kan modificeres uafhængigt af LTP (dvs. LTP er synapsespecifik), har selv en enkelt neuron en imponerende informationslagringskapacitet. Desuden viser beregningsmæssig analyse, at modifikation af synaptisk styrke ved hjælp af LTP er tilstrækkelig til at producere distribueret hukommelseslagring i neurale netværk10 Tilsammen har disse fund ført til den udbredte opfattelse, at LTP formidler hukommelseslagring.

Der er dog akkumulerende beviser for, at synapse-specifikke ændringer ikke er den eneste type neuronal forandring, der er nødvendig for hukommelsesfunktioner. Især har modifikation af globale neuronale egenskaber også en vigtig rolle i indlæring og hukommelse. Beviset for sådanne ændringer blev oprindeligt opnået i invertebratpræparater, der blev brugt til at studere den præsynaptiske facilitering2, der ligger til grund for kortsigtet adfærdssensibilisering. Denne lettelse involverer en stigning i præsynaptisk excitabilitet forårsaget af en reduktion i K plus konduktans3. Andet arbejde viste, at konditionering af Hermissendal øgede neuronal excitabilitet ved at reducere K*-konduktansen. Undersøgelsen af ​​læringsrelaterede ændringer i excitabilitet blev derefter udvidet til at omfatte hvirveldyr5 og understøttes nu af flere bevislinjer16-19. I dette perspektiv beskriver vi dette bevis såvel som den kritiske rolle for transkriptionsfaktoren CREB (cAMP-responsive element-binding protein) i denne proces. Vi behandler derefter spørgsmålet om, hvorfor hvirveldyrneuroner, der kan lagre store mængder information ved at ændre deres talrige synapser, også ændrer globale cellulære egenskaber via transkriptionel regulering. Vi beskriver to ideer om, hvordan synaptiske og transskriptionelle modifikationer gør forskellige bidrag nødvendige for den overordnede proces med hukommelsesdannelse.

Virkninger af cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelsen og indlæringsevnen

Rollen af ​​transkriptionsfaktoren CREB i hukommelsen

Tidligt arbejde med hvirvelløse dyr pegede på vigtigheden af ​​transkriptionel regulering i hukommelsen20. Dette førte til en interesse for CREB, fordi det gennemgår phosphoryleringsafhængig aktivering, der varer ved i timevis i hvirveldyrets hippocampus efter LTP-induktion²'og læring2. Betydningen af ​​CREB for hukommelsen er nu blevet demonstreret gennem tovejs manipulation af CREB funktion2324. Forskere har brugt en række forskellige metoder til negativt at modulere CREB, herunder knockdown af CREB (specifikt a/6 isoformer), antisense oligodeoxynukleotid-medieret CREB-forstyrrelse, RNA-interferens og målrettet genetisk mutation23,25-27. Disse manipulationer fører uvægerligt til hukommelsessvigt. Omvendt fører stigninger i niveauer af aktiv CREB til hukommelsesforbedringer2²8,29.

Den anden bølge af fremskridt i forståelsen af ​​CREB-funktionen opstod fra nyudviklede værktøjer, der tillod direkte visualisering og manipulation af de celler, der formidler hukommelseslagring ('hukommelsessporceller). En af de resulterende metoder udnytter det faktum, at celler, der gennemgår stærk aktivitet, som det sker under hukommelsesdannelse, syntetiserer forhøjede niveauer af en klasse af regulatoriske proteiner, der omtales som umiddelbare tidlige gener (IEG'er; for eksempel cFos og arc). Disse proteiner har længe været kendt for at blive udtrykt i celler aktiveret under indlæring, og deres ekspression kan bruges til at identificere hukommelsessporceller30 Eksperimenter viste, at øget niveau af CREB i en undergruppe af celler øgede sandsynligheden for, at disse celler ville blive inkorporeret i hukommelsesspor, hvorimod faldende niveauer af CREB havde den modsatte effekt31,32. Hos trænede dyr har CREB-overudtrykkende celler højere IEG-ekspression end naboceller. Det er vigtigt, at CREB-afhængige stigninger i IEG-ekspression ikke forekommer i utrænede mus!. Disse resultater viser, at relative CREB-niveauer kan påvirke, hvilke neuroner der er inkorporeret i et hukommelsesspor, et fænomen, der omtales som hukommelsesallokering. Efterfølgende undersøgelser viste, at inhibering af ß og dermed påviste CREB-overudtrykkende celler negativt påvirker hukommelsesgenkaldelse3133-35 nødvendigheden af ​​disse celler til hukommelseshentning.

Bevis på, at CREB modulerer celle excitabilitet

Med hvilken mekanisme kunne CREB styre hukommelsesallokering? Fordi LTP afhænger af niveauet af depolarisering i de post-synaptiske neuroner, kan CREB virke ved at øge neuronal excitabilitet og derved øge inkorporeringen af ​​neuroner i hukommelsessporet. Denne mulighed er nu blevet afprøvet på flere måder. I et sæt eksperimenter blev intracellulære optagelser opnået fra celler, der overudtrykte CREB. Som vist i fig. 1 producerede den samme størrelse af strømpulsen flere aktionspotentialer i de CREB-overudtrykkende celler end i nærliggende neuroner, der ikke overudtrykte CREB (se også ref. 32,43637. CREB-overekspression resulterede også i en mindre efter -hyperpolarisering (AHP) efter et tog af aktionspotentialer. Fordi sådanne AHP'er genereres af Kt-kanaler38, forekommer det sandsynligt, at den øgede excitabilitet af CREB-udtrykkende celler i det mindste delvist skyldes nedsat Kt-konduktans. Der kan også være excitabilitetsændringer, som afhænger af ændringer i oversættelse39, men disse er uden for rammerne af denne gennemgang, fordi de ikke involverer CREB.

En anden type eksperiment blev brugt til at teste direkte, om manipulation af celle excitabilitet er tilstrækkelig til at påvirke en celles inkorporering i hukommelsessporet. I disse undersøgelser blev virale vektorer brugt til at øge excitabilitet gennem reduktion af K plus-kanalfunktion (dvs. gennem ekspression af dominant-negative former af to Kt-kanaler involveret i AHP: KCNQ2 og KCNQ32). Celler, der udtrykker mutante kanaler, blev faktisk fortrinsvis allokeret til hukommelsessporet, som angivet ved øgede niveauer af IEG-proteinbuen i forhold til dem i tilstødende uinficerede neuroner. I beslægtede eksperimenter blev celle excitabilitet reduceret ved ekspression af Kir2.1, en indad korrigerende K't-kanal Blandt Kir2.1-celler var sandsynligheden for, at cellerne var aktive, reduceret cirka fem gange sammenlignet med celler, der ikke udtrykte proteinet, og dette førte til nedsat inkorporering i hukommelsessporet. Yderligere eksperimenter demonstrerede vigtigheden af ​​excitabilitetsændringer på adfærdsniveau: når en trinfunktionsopsin blev brugt til at øge excitabiliteten af ​​en undergruppe af amygdala neuroner lige før tonekonditionering, viste efterfølgende adfærdseksperimenter, at disse neuroner blev allokeret til at opbevare tone-chokket som SOCiation40.

Tilsammen viser disse resultater, at en hovedfunktion af CREB er at øge neuronal excitabilitet.1,42 og derved modulere allokeringen af ​​neuroner til hukommelsessporet. Denne forøgelse af excitabilitet ved stærk neural aktivitet står i kontrast til modifikationer af iboende og synaptiske konduktanser, der er homøostatiske, det vil sige, hvor stærk neural aktivitet fører til reduceret excitabilitet45. Dette rejser spørgsmålet om, hvilken funktion CREB's forøgelse af excitabilitet kan have. I neurale netværksmodeller er forbedringen af ​​transmissionen med LTP tilstrækkelig til at producere hukommelsesfunktion, så hvad tilføjer CREB-afhængig forbedring af excitabilitet? En mulighed er tildeling, men hvad er nytten af ​​tildeling? Disse spørgsmål behandles i næste afsnit.

Funktioner af celle-dækkende stigning i excitabilitet

Nedenfor beskriver vi først en hypotese om rollen af ​​læringsafhængige ændringer i global excitabilitet, som har væsentlig eksperimentel støtte. Vi fremlagde så en anden og mere spekulativ mulighed. Disse hypoteser udelukker ikke hinanden.

Virkninger af cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelsen og indlæringsevnen

Alloker-til-link-hypotesen

Som beskrevet ovenfor øger en stigning i mængden af ​​aktiveret CREB excitabiliteten og forvrider derved neuronallokering i hukommelsessporet. Ifølge alloker-til-link-hypotesen44 danner disse ændringer en kobling mellem erindringer om begivenheder, der opstår inden for få timer efter hinanden, og denne kobling har en vigtig funktion. Som beskrevet ovenfor fører en indledende omgang læring til en stigning i mængden af ​​CREB i de hukommelseskodende neuroner, der varer i timevis. Den resulterende stigning i excitabilitet fører til rekruttering af mange af disse neuroner til at kode for en ny hukommelse dannet i perioden med øget excitabilitet. Nettoresultatet er, at to hukommelser, der er kodet tæt sammen i tid, er kodet af overlappende ensembler af neuroner; således er de to hukommelser forbundet, og denne kobling kan ligge til grund for genkaldelsen af ​​separate hændelser, der opstår i løbet af en periode på flere timer (fig. 2a).

En nylig undersøgelse viste, at overlappende hippocampale neuronale ensembler faktisk fanger minder om sammenhænge, ​​der er udforsket tæt i tid4. For direkte at bestemme, om overlappende celler koder for de to sammenhænge, ​​brugte forfatterne et hovedmonteret miniature fluorescerende mikroskop til at overvåge calciumtransienter i musehippocampale CAl-neuroner, da musene udforskede forskellige sammenhænge. Der var et større overlap mellem de neuronale ensembler aktiveret af disse sammenhænge, ​​når de to kontekster blev udforsket inden for samme dag (5 timers mellemrum) i modsætning til på forskellige dage (7 d fra hinanden) (fig. 2b). Dette giver direkte støtte til ideen om, at overlappende neuronale ensembler koder for minder dannet tæt i tid. En konsekvens af dette neuronale overlap er, at disse minder bliver adfærdsmæssigt forbundet; det viste sig, at når en af ​​sammenhængene inducerede en frygtreaktion, blev mus også bange for den forbundne kontekst, selvom de aldrig havde oplevet noget afersivt i den sammenhæng (Fig.2c).

Yderligere støtte til alloker-til-link-hypotesen blev opnået gennem manipulation af den specifikke fraktion af delte neuroner for to minder. Disse undersøgelser viste først, at et delt amygdala-ensemble koder for to auditive frygtminder, der erhverves tæt i tid (inden for 6 timer), og at disse minder er forbundet. Forskere demonstrerede den specifikke rolle af sådanne delte neuronale ensembler ved at dæmpe dem, hvilket påvirkede adfærdsinteraktionen mellem to amygdala-afhængige opgaver, men ikke forstyrrede genfindingen af ​​individuelle opgaver47.

Alloker-til-link-hypotesen antager, at den CREB-afhængige stigning i excitabilitet øger sandsynligheden for, at en celle vil blive exciteret under tidsmæssig tæt kodning af andre hukommelser, og derved forbinde hukommelserne ved at forbedre deres synaptiske forbindelse. Som nævnt er CREB-afhængige stigninger i excitabilitet ikke-homeostatiske. Der er således bekymring for, at denne stigning i excitabilitet kan øge LTP, og at de forstærkede reaktioner kan gøre efterfølgende LTP mere sandsynlig, hvilket potentielt kan føre til løbsk potensering. Synaptisk styrke er imidlertid mættelig4849, og den resulterende grænse for LTP kan undgå bekymringer om løbsk excitation.

Hypotese om samlingskonsolidering

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 gentagelse er afgørende for dannelsen af ​​stabil hukommelse, da specifik afbrydelse af SWR fører til stærke hukommelsesmangler53-55. Det synes sandsynligt, at en neurons involvering i SWR'er ville blive forstærket af en stigning i excitabilitet (se også ref. 3). Dette får os til at foreslå, at en anden funktion af den CREB-afhængige stigning i excitabilitet er at forbedre den konsolidering, der er nødvendig for stabil hukommelsesdannelse.

Mekanismer og selektivitet af CREB-aktivering

Hvis CREB har en vigtig rolle i hukommelsesallokering og -konsolidering, bør dens aktivering stort set være begrænset til celler, der har været involveret i læring og skal inkorporeres i et hukommelsesensemble. Handlingspotentialer er ikke en pålidelig indikation af læringsrelaterede begivenheder, fordi de kan skyldes aktiviteten af ​​tidligere potentierede synapser.

Tilsvarende er LTP-begivenheder ved synapsen ikke en pålidelig indikator for, at en celle bør være en del af et nyt ensemble, fordi LTP kan forekomme i en dendritisk gren uden somatiske natriumspidser57,58. At lave en cellebrand og dermed være i stand til at blive inkorporeret i et ensemble, kan kræve, at flere grene gennemgår synaptisk plasticitet. Det kan således være ønskeligt, at CREB fortrinsvis aktiveres, når der både er læringsbegivenheder i dendritten og stærk nok depolarisering til at forårsage affyring. Det er således bemærkelsesværdigt, at der er betydelig kompleksitet i de veje, der fører til CREB-afhængig aktivering (fig. 3): en calmodulinkinase-kaskade kobler somatiske aktionspotentialer til CREB-aktivering59,60, hvorimod ERK-diffusion fra dendrit til soma kobler synaptisk plasticitet til CREB-aktivering61. En spændende mulighed er, at disse veje udfører den biokemiske beregning, der er nødvendig for at markere de celler, der skal inkorporeres i et ensemble.

Virkninger af cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelsen og indlæringsevnen

Diskussion

Indlærings- og hukommelsesområdet har manglet et sammenhængende syn på, hvorfor og hvordan hukommelsen afhænger af både synapsespecifikke ændringer i synaptisk styrke og globale ændringer i neuronal funktion. Nylige teknologiske fremskridt har tilladt hidtil uset visualisering og kontrol af kredsløbsprocesser, der ligger til grund for hukommelsen, og de resulterende resultater understøtter det synspunkt, at globale ændringer i excitabilitet forekommer og yder et kritisk bidrag til hukommelsen. Disse observationer udfordrer standardmodeller, der udelukkende tilskriver hukommelsesfunktion til synaptisk modifikation. Vi præsenterer to hypoteser om den specifikke rolle af de CREB-afhængige ændringer i global excitabilitet i hukommelsen, der går ud over de traditionelle synspunkter; den ene (alloker-til-link) har nu direkte støtte, hvorimod den anden (ensemble-konsolideringsmodel) er bygget på eksperimentelle observationer, men endnu ikke er blevet direkte testet. På trods af de konceptuelle forskelle mellem disse modeller deler de et bredt syn på den overordnede hukommelsesproces – en visning, der inkluderer hændelser under kodning og konsolidering og dermed går ud over de processer, der er direkte ansvarlige for den ultimative hukommelseslagring. I alloker-til-link-modellen tilføjer CREB-afhængige ændringer i excitabilitet helt ny funktionalitet til hukommelsessystemet: en hukommelses evne inden for en tidsramme til selektivt at associere med andre minder inden for samme tidsramme. I samlingskonsolideringsmodellen er den tilføjede funktionalitet forbedringen af ​​konsolidering - en forbedring, der er specifik for hukommelsessporcellerne og i sidste ende nødvendig for dannelsen af ​​et stabilt ensemble.

Ingen af ​​de foreslåede modeller hævder, at transkriptionelle ændringer faktisk ligger til grund for selve hukommelseslagringen, og derfor er disse modeller i overensstemmelse med den forbigående karakter af CREB-ændringer og læring og LTP. Dette er et vigtigt punkt, fordi det ofte foreslås, at transkriptionel skift kan give mulighed for mere stabil langtidshukommelseslagring end synaptiske kontakter, der kun er afhængige af post-translationelle processer. Vi understreger, at dataene på CREB ikke understøtter dette forslag; selvom CREB-afhængig transskription ser ud til at være nødvendig for dannelsen af ​​stabile minder (især i ensemblekonsolideringsmodellen), er det ikke i sig selv en stabil informationslagringsmekanisme og kan derfor ikke mediere langtidshukommelse. Denne vigtige funktion kan være afhængig af stabile ændringer ved synapsen (men se refs, 62,63) eller på indlæringsrelaterede transkriptionsændringer ud over dem, der er medieret af CREB64,65 (for den potentielle nytte af hypotesede langsigtede ændringer i excitabilitet, se ref. 66).

Sammenfattende argumenterer vi for, at enhver overordnet model af hukommelsessystemet nu skal omfatte både vedvarende ændringer ved synapser og forbigående ændringer i global excitabilitet. Sådanne dobbelte mekanismer bør ikke ses som modstridende. Tværtimod fungerer de CREB-afhængige transkriptionelle ændringer til at fremme stabile synaptiske modifikationer på en måde, der producerer nyttige tidsmæssige bindinger.

Virkninger af cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelsen og indlæringsevnen

Referencer

1. Hebb, DO. Organisationen af ​​adfærd: En neuropsykologisk teori. Wiley; New York: 1949.

2. Bliss TV, Collingridge GL. En synaptisk model af hukommelse: langsigtet potensering i hippocampus. Natur. 1993; 361:31-39. [PubMed: 8421494]

3. Bliss TVP, Collingridge GL. Ekspression af NMDA-receptorafhængig LTP i hippocampus: brobygning af kløften. Mol Hjerne. 2013; 6:5. [PubMed: 23339575]

4. Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA-receptorer, stedceller og hippocampus rumlig hukommelse. Nat Rev Neurosci. 2004; 5:361-372. [PubMed: 15100719]

5. Giese KP, Fedorov NB, Filipkowski RK, Silva AJ. Autophosphorylering ved Thr286 af alfa-calcium-calmodulinkinase II i LTP og indlæring. Videnskab. 1998; 279:870-873. [PubMed: 9452388]

6. Rossetti T, et al. Hukommelsessletningseksperimenter indikerer en kritisk rolle for CAMKII-lagring i hukommelsen. Neuron. 2017; 96:207-216. [PubMed: 28957669]

7. Lee YS, Silva AJ. Den molekylære og cellulære biologi af forbedret kognition. Nat Rev Neurosci. 2009; 10:126-140. [PubMed: 19153576]

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

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

10. Hopfield JJ. Neuroner med graderede responser har kollektive beregningsegenskaber ligesom to-stats neuroner. Proc Natl Acad Sci USA. 1984; 81:3088-3092. [PubMed: 6587342]

11. Morris RGM, et al. Elementer af en neurobiologisk teori om hippocampus: rollen af ​​aktivitetsafhængig synaptisk plasticitet i hukommelsen. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2003; 358:773-786. [PubMed: 12744273]

12. Castellucci V, Kandel ER. Præsynaptisk facilitering som en mekanisme til adfærdssensibilisering i Aplysia. Videnskab. 1976; 194:1176-1178. [PubMed: 11560]

13. Siegelbaum SA, Camardo JS, Kandel ER. Serotonin og cyklisk AMP lukker enkelte K plus-kanaler i Aplysia sensoriske neuroner. Natur. 1982; 299:413-417. [PubMed: 6289122]

14. Alkon DL. Ændringer af membranstrømme under indlæring. J Exp Biol. 1984; 112:95-112. [PubMed: 6150967]

15. Disterhoft JF, Coulter DA, Alkon DL. Konditioneringsspecifikke membranændringer af kanin hippocampale neuroner målt in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 1986; 83:2733-2737. [PubMed:3458232]

Virkninger af cistanche og cistanche-produkter: forbedre hukommelsen og indlæringsevnen