Вплив навчання на молекулярну кухню мозку може бути різним: при запам'ятовуванні нової інформації деякі гени починають працювати активніше, інші ж, навпаки, відключаються.
Коли говорять про молекулярні процеси, що забезпечують запис інформації в мозок, то зазвичай мають на увазі, що в нервових клітинах посилюється активність деяких генів. Відомо, що при формуванні пам'яті встановлюються нові зв'язки між нейронами, з'являються нові синапси, завдяки чому складаються додаткові нейронні ланцюжки - матеріальна база пам'яті. Щоб синапс з'явився, потрібно, щоб з'явилися спеціальні білки, так що сам собою напрошується висновок, що і гени повинні працювати активніше - це підтверджено численними експериментами.
Однак все може бути і навпаки: дослідники з Сеульського національного університету виявили, що в мишиному гіпокампі, одному з головних мозкових центрів пам'яті, при записі пам'яті відбувається загасання генетичної активності. Нейробіологи виробляли у тварин звичку боятися певного оточення: коли миша опинялася в спеціальній клітці, її били струмом; потім, коли вона знову потрапляла в цю клітку, страх «включався» вже сам, без всяких стимулів - іншими словами, спрацьовували механізми запам'ятовування і навчання.
Щоб дізнатися, що відбувалося в молекулярній кухні мозку, у тварин аналізували набір і кількість РНК в клітинах гіпокампу, причому не просто РНК, а саме тих, які були залучені у виробництво білка, на яких сиділи білок-синтезуючі машини - рибосоми. І молекули аналізували не взагалі після того, як миша запам'ятала, чого потрібно боятися, а через 5, 10, 30 хвилин і через чотири години після «сеансів страху» - такий експеримент дозволяв побачити динаміку молекулярних змін.
Активність гена можна оцінити по двох процесах, по транскрипції і по трансляції. На першому етапі, на етапі транскрипції з ДНК знімається РНК-копія, відповідно, на активних генах РНК синтезується більше, на неактивних - менше. На другому етапі, етапі трансляції, на РНК синтезуються молекули білка: на активних РНК синтезується більше білка, на неактивних - менше (тобто тут, строго кажучи, мається на увазі активність РНК). У статті в Science автори пишуть, що їм вдалося «зловити» 104 гена, чия активність у різних часових точках варіювала досить сильно на рівні транскрипції або трансляції. Протягом перших 10 хвилин синтез нових РНК на генах залишався колишнім, їх не ставало ні більше, ні менше (тобто інтенсивність транскрипції не змінювалася), чого не можна було сказати про трансляцію, тобто про синтез білкових молекул на РНК - тут зміни наступали негайно. (Що не дивно: синтез білка більш оперативно, ніж синтез РНК, реагує на мінливі умови середовища і потреби клітини.) Взагалі ж транскрипція наздоганяла трансляцію на 30 хвилині після сеансу навчання.
Головним же сюрпризом було те, в чому саме полягали зміни: активність багатьох генів падала. Вже через п'ять хвилин сповільнювався темп синтезу білків, кодованих більш ніж половиною генів - з тих, яких торкнулися зміни. Через півгодини замовкли 31 вид РНК з 42, через чотири години трансляція зупинялася у 48 з 55. Гальмування було стабільним, в тому сенсі, що ті РНК, на яких синтез білка припинився через півгодини, продовжували мовчати і далі.
Автори роботи зазначають, що активність більш ніж половини таких генів залежала від молекули, званого альфа-рецептором естрогену ESR1: чим менше було синтезувалося, тим менше було всіх інших. Якщо ж рівень ESR1 штучно підвищували, це відповідним чином відбивалося як на динаміці інших молекул, так і на здатності мишей запам'ятовувати, чого їм слід боятися. Схожий ефект був і з геном Nrsn1: якщо синтез білка на РНК гена Nrsn1 стимулювали, тварини гірше навчалися. Тобто дослідники не просто виявили якийсь дивний молекулярний ефект, але і співвіднесли його з когнітивними змінами.
Чому для формування пам'яті потрібно відключити синтез досить великої кількості білків, поки ніхто не знає, проте сам факт настільки примітний, що, очевидно, біологи зроблять все, щоб якомога швидше дізнатися функції цих генів. За однією з версій, їхня робота полягає в тому, щоб не давати мозку запам'ятовувати абсолютно все, іншими словами, вони грають роль запобіжника, який захищає нас від інформаційного перевантаження. І коли з'являється необхідність дійсно щось запам'ятати, такі гени потрібно відключити.
За матеріалами The Scientist.