Давно известно, что для запоминания лучше учиться короткими сессиями с перерывами, чем зубрить все за ночь перед экзаменом. Этот эффект интервального повторения много раз подтверждался в исследованиях памяти. Но теперь выяснилось, что такой же принцип действует не только в нейронах мозга, но и в обычных клетках организма на молекулярном уровне. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Клетки тела учатся запоминать по тем же правилам, что и мозг
Ученые из Нью-Йоркского университета показали, что обычные клетки человека способны «запоминать» информацию, причем работают те же принципы, что и при обучении в мозге: несколько коротких сигналов эффективнее одного длинного.
Нейроны. https://www.earth.com/
Молекулярные механизмы клеточной памяти основаны на каскадах химических реакций. Когда внешний сигнал достигает клетки, запускается цепочка событий: активируются ферменты PKA или PKC, затем белок ERK, и наконец CREB — транскрипционный фактор, который включает определенные гены. При интервальной стимуляции эта цепочка работает эффективнее: сигналы накладываются друг на друга, создавая более мощный и устойчивый ответ. Фактически клетки выполняют вычисления, анализируя не только силу, но и временной паттерн входящих сигналов.
Исследователи вырастили человеческие клетки в лабораторных чашках и встроили в них светящийся репортер, который загорается при активации определенного гена. Затем клетки «обучали» химическими сигналами двумя способами: одной большой порцией или четырьмя короткими импульсами с перерывами в несколько минут. Результат оказался однозначным — при интервальной подаче сигналов свечение было ярче и держалось дольше. Клетки реагировали не на общую дозу, а на ритм поступления сигналов.
Как обучаются клетки
Уровни нейронных вычислений. Обычно считается, что вычисления происходят на уровне цепей и синаптических уровней функционирования нейронов на временных масштабах от миллисекунд до секунд. Однако они вложены в более медленные, клеточные вычисления, происходящие на уровнях клеточной сигнализации (от нескольких секунд до нескольких часов) и транскрипции генов (от нескольких часов до нескольких дней и более) — левая колонка. Во время формирования долговременной памяти транскрипционный фактор CREB объединяет преходящую информацию, полученную от различных сигнальных киназ, и модулирует более длительную транскрипцию сАМР-зависимых генов немедленного начала (CRE), которые изменяют функцию нейрона в течение длительного периода времени. Хотя и входы, и выходы этой системы специфичны для нейронов, преобразование входных сигналов в более устойчивую CRE-зависимую транскрипцию можно изучать в ненейронных клетках — правая колонка.
«Обучение и память обычно связывают только с мозгом и его клетками, но наше исследование показывает, что другие клетки тела тоже могут учиться и формировать память», — объясняет руководитель работы Николай Кукушкин из Нью-Йоркского университета.
Главную роль в этом процессе играют белки ERK и CREB — те же молекулярные игроки, что отвечают за долговременную память в нейронах. При интервальной стимуляции их активация была сильнее и продолжительнее. Когда ученые блокировали эти белки, преимущество интервального режима исчезало.
Открытие показывает, что обучение это свойство не только мозга, но и клеток вообще. Это может помочь разработать более эффективные схемы приема лекарств: иногда несколько малых доз в правильном ритме могут дать лучший результат, чем одна большая.