(Medical Xpress) – Несмотря на столетние исследования, кодирование памяти в мозгу остается загадкой. Сила нейронных синаптических связей задействована, но синаптические компоненты недолговечны, в то время как воспоминания сохраняются. Это говорит о том, что синаптическая информация закодирована и зашита на более глубоком и мелкозернистом молекулярном уровне.
В статье, опубликованной в номере журнала PLoS Computational Biology от 8 марта, физики Трэвис Крэддок и Джек Тушински из Университета Альберты и анестезиолог Стюарт Хамерофф из Университета Аризоны демонстрируют правдоподобный механизм кодирования синаптической памяти в микротрубочках, основных компонентах структурный цитоскелет внутри нейронов.
Микротрубочки представляют собой полимеры с цилиндрической гексагональной решеткой из протеина тубулина, составляющие 15 процентов от общего протеина головного мозга. Микротрубочки определяют архитектуру нейронов, регулируют синапсы и, как предполагается, обрабатывают информацию через интерактивные битовые состояния тубулина. Но отсутствует какое-либо подобие общего кода, связывающего микротрубочки с синаптической активностью. До настоящего времени.
Стандартная экспериментальная модель нейрональной памяти – это долговременная потенциация (ДП), при которой кратковременное пресинаптическое возбуждение приводит к пролонгированной постсинаптической чувствительности. Важным игроком в LTP является гексагональный фермент кальций / кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMKII). При пресинаптическом возбуждении ионы кальция, попадающие в постсинаптические нейроны, вызывают трансформацию CaMKII в форме снежинки, расширяя наборы из 6 ножеподобных доменов киназы выше и ниже центрального домена, активированный CaMKII напоминает двустороннее насекомое. Каждый киназный домен может фосфорилировать субстрат и, таким образом, кодировать один бит синаптической информации. Упорядоченные массивы битов называются байтами, и 6 киназных доменов на одной стороне каждого CaMKII могут, таким образом, фосфорилировать и кодировать опосредованные кальцием синаптические входы как 6-битные байты. Но где же внутринейрональный субстрат для кодирования памяти путем фосфорилирования CaMKII?? Ввести микротрубочки.
Используя молекулярное моделирование, Крэддок и др. Выявили идеальное соответствие между пространственными размерами, геометрией и электростатическим связыванием насекомоподобного CaMKII и гексагональной решеткой белков тубулина в микротрубочках. Они показывают, как домены киназы CaMKII могут коллективно связывать и фосфорилировать 6-битные байты, в результате чего образуются гексагональные структуры фосфорилированных тубулинов в микротрубочках. Крэддок и др. Вычислили огромную информационную емкость при низких затратах энергии, продемонстрировали логические ворота, связанные с белками, связанные с микротрубочками, и показали, как паттерны фосфорилированных тубулинов в микротрубочках могут контролировать функции нейронов, запуская аксональные импульсы, регулируя синапсы и пересекая масштаб.
Микротрубочки и CaMKII широко распространены в биологии эукариот, чрезвычайно богаты нейронами головного мозга и способны связывать мембранные и цитоскелетные уровни обработки информации. Расшифровка и стимуляция микротрубочек может сделать возможным терапевтическое вмешательство в целый ряд патологических процессов, например болезнь Альцгеймера, при которой разрушение микротрубочек играет ключевую роль, и повреждение головного мозга, при котором деятельность микротрубочек может восстанавливать нейроны и синапсы.
Хамерофф, старший автор исследования, сказал: «Многие статьи по нейробиологии заканчиваются тем, что их выводы могут помочь понять, как работает мозг, и лечить болезнь Альцгеймера, травмы головного мозга и различные неврологические и психические расстройства. Это исследование действительно может сделать это. Мы можем получить представление о биомолекулярном коде мозга для памяти.”