La formazione della memoria dipende da entrambe le modifiche specifiche della sinapsi della forza sinaptica e dagli aumenti dell'eccitabilità specifici delle cellule

Contatto: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

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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,{1}} sinapsi modificabili in modo indipendente, il potenziale di archiviazione delle informazioni mediante modifica sinaptica è enorme. Tuttavia, un lavoro recente suggerisce che anche i cambiamenti globali mediati da CREB nell'eccitabilità neuronale svolgono un ruolo fondamentale nella formazione della memoria. Poiché questi cambiamenti globali hanno una modesta capacità di memorizzazione delle informazioni rispetto a quella della plasticità sinaptica, la loro importanza per la funzione della memoria non è stata chiara. Qui esaminiamo le nuove prove emergenti per il controllo dell'eccitabilità dipendente da CREB e discutiamo di due possibili meccanismi. In primo luogo, il cambiamento transitorio CREB-dipendente nell'eccitabilità neuronale svolge una funzione di allocazione della memoria assicurando che la memoria sia immagazzinata in modi che facilitino il collegamento efficace degli eventi con la prossimità temporale (ore). In secondo luogo, questi cambiamenti possono promuovere la formazione dell'assemblaggio cellulare durante la fase di consolidamento della memoria. Non è chiaro se tali cambiamenti di eccitabilità globale e meccanismi sinaptici locali siano complementari. Qui sosteniamo che i due meccanismi possono lavorare insieme per promuovere una funzione di memoria utile.

La delucidazione dei meccanismi molecolari, cellulari e di rete che sono alla base dell'apprendimento e della memoria è stato uno degli obiettivi principali delle neuroscienze moderne. In un importante contributo iniziale, Donald Hebb ha proposto che le associazioni che costituiscono una memoria siano archiviate per mezzo di cambiamenti dipendenti dall'attività nella forza delle sinapsi!. Gran parte del lavoro successivo ha dimostrato che le sinapsi subiscono effettivamente un rafforzamento dipendente dall'attività come previsto da Hebb, e lo fanno tramite LTP (e il processo complementare di depressione a lungo termine (LTD))3. Nella forma canonica di LTP che si trova nelle sinapsi ippocampali CAI, l'induzione di LTP dipende da un particolare tipo di recettore del glutammato, NMDAR, e da una cascata biochimica iniziata e sostenuta dall'abbondante proteina sinaptica calcio/proteina chinasi calmodulina-dipendente II(CaMKII)3 . È importante sottolineare che le modificazioni genetiche che interferiscono con la funzione NMDAR o CaMKII non solo bloccano l'LTP ma producono anche profondi deficit nell'apprendimento e nell'immagazzinamento della memoria. Al contrario, quasi tutte le mutazioni che migliorano la memoria migliorano anche l'LTP. Altri lavori hanno dimostrato che l'LTP, una volta indotto durante l'apprendimento7, può essere modificato in modo bidirezionale da una stimolazione simile a LTD/LTP, portando così sia alla riduzione che al riemergere del comportamento guidato dalla memoria8. I neuroni piramidali dell'ippocampo hanno più di 10,000 sinapsi e poiché ogni sinapsi può essere modificata indipendentemente da LTP (cioè, LTP è specifico della sinapsi), anche un singolo neurone ha un'impressionante capacità di archiviazione delle informazioni. Inoltre, l'analisi computazionale mostra che la modifica della forza sinaptica da parte dell'LTP è sufficiente per produrre memoria distribuita nelle reti neurali10 Nel loro insieme, questi risultati hanno portato all'opinione diffusa che LTP media l'archiviazione della memoria.

Vi sono, tuttavia, prove accumulate che i cambiamenti specifici della sinapsi non sono l'unico tipo di cambiamento neuronale necessario per le funzioni di memoria. In particolare, anche la modifica delle proprietà neuronali globali ha un ruolo importante nell'apprendimento e nella memoria. L'evidenza di tali cambiamenti è stata inizialmente ottenuta in preparati di invertebrati utilizzati per studiare la facilitazione presinaptica2 che è alla base della sensibilizzazione comportamentale a breve termine. Questa facilitazione comporta un aumento dell'eccitabilità presinaptica causata da una riduzione di K più conduttanza3. Altri lavori hanno mostrato che il condizionamento di Hermissendal aumentava l'eccitabilità neuronale riducendo la conduttanza K*. L'indagine sui cambiamenti nell'eccitabilità legati all'apprendimento è stata quindi estesa ai vertebrati5 ed è ora supportata da più linee di prova16-19. In questa prospettiva, descriviamo tale evidenza, così come il ruolo critico del fattore di trascrizione CREB (proteina legante gli elementi reattiva al cAMP) in questo processo. Quindi affrontiamo la domanda sul perché i neuroni dei vertebrati che possono immagazzinare grandi quantità di informazioni modificando le loro numerose sinapsi modificano anche le proprietà cellulari globali attraverso la regolazione trascrizionale. Descriviamo due idee su come le modifiche sinaptiche e trascrizionali rendano necessari contributi diversi per il processo complessivo di formazione della memoria.

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Il ruolo del fattore di trascrizione CREB nella memoria

I primi lavori sugli invertebrati hanno evidenziato l'importanza della regolazione trascrizionale nella memoria20. Ciò ha portato a un interesse per CREB perché subisce un'attivazione dipendente dalla fosforilazione che persiste per ore nell'ippocampo dei vertebrati dopo l'induzione di LTP²'e l'apprendimento2. L'importanza di CREB per la memoria è stata ora dimostrata attraverso la manipolazione bidirezionale della funzione CREB2324. I ricercatori hanno utilizzato una varietà di metodi per modulare negativamente CREB, tra cui il knockdown di CREB (in particolare le isoforme a/6), l'interruzione del CREB mediata da oligodeossinucleotidi antisenso, l'interferenza dell'RNA e la mutazione genetica mirata23,{7}}. Queste manipolazioni portano invariabilmente a deficit di memoria. Al contrario, l'aumento dei livelli di CREB attivo porta a un miglioramento della memoriamen2²8,29.

La seconda ondata di progressi nella comprensione della funzione CREB è derivata da strumenti di nuova concezione che hanno consentito la visualizzazione e la manipolazione diretta delle cellule che mediano l'archiviazione della memoria ("celle di traccia della memoria). Uno dei metodi risultanti sfrutta il fatto che le cellule sottoposte a una forte attività, come avviene durante la formazione della memoria, sintetizzano livelli elevati di una classe di proteine ​​regolatrici denominate geni precoci immediati (IEG; ad esempio, cFos e arc). È noto da tempo che queste proteine ​​sono espresse nelle cellule attivate durante l'apprendimento e la loro espressione può essere utilizzata per identificare le tracce di cellule della memoria30 Gli esperimenti hanno dimostrato che l'aumento dei livelli di CREB in un sottoinsieme di cellule aumenta la probabilità che tali cellule vengano incorporate nel traccia di memoria, mentre la diminuzione dei livelli di CREB ha avuto l'effetto opposto31,32. Negli animali addestrati, le cellule che sovraesprimono CREB hanno un'espressione IEG più elevata rispetto alle cellule vicine. È importante sottolineare che gli aumenti dipendenti da CREB nell'espressione di IEG non si verificano nei topi non addestrati!. Questi risultati dimostrano che i livelli di CREB relativi possono influenzare quali neuroni sono incorporati in una traccia di memoria, un fenomeno denominato allocazione della memoria. Studi successivi hanno dimostrato che l'inibizione di ß e quindi dimostrato che le cellule che sovraesprimono CREB influenzano negativamente il richiamo della memoria3133-35 sulla necessità di queste cellule per il recupero della memoria.

Prova che CREB modula l'eccitabilità cellulare

Con quale meccanismo CREB può controllare l'allocazione della memoria? Poiché LTP dipende dal livello di depolarizzazione nei neuroni post-sinaptici, CREB potrebbe funzionare migliorando l'eccitabilità neuronale e aumentando così l'incorporazione dei neuroni nella traccia della memoria. Questa possibilità è stata ora testata in diversi modi. In una serie di esperimenti, sono state ottenute registrazioni intracellulari da cellule che sovraesprimevano CREB. Come mostrato in Fig, 1, la stessa intensità dell'impulso di corrente ha prodotto più potenziali d'azione nelle cellule che sovraesprimono CREB rispetto ai neuroni vicini che non hanno sovraespresso CREB (vedi anche rif. 32,43637. La sovraespressione di CREB ha anche determinato una minore dopo -iperpolarizzazione (AHP) dopo un treno di potenziali d'azione. Poiché tali AHP sono generati dai canali Kt38, sembra probabile che l'aumentata eccitabilità delle cellule che esprimono CREB sia almeno in parte dovuta alla diminuzione della conduttanza Kt. Potrebbero anche esserci cambiamenti di eccitabilità che dipendono dai cambiamenti nella traduzione39, ma questi sono al di fuori dello scopo di questa revisione perché non coinvolgono CREB.

Un altro tipo di esperimento è stato utilizzato per verificare direttamente se la manipolazione dell'eccitabilità cellulare è sufficiente per influenzare l'incorporazione di una cellula nella traccia di memoria. In questi studi, i vettori virali sono stati utilizzati per aumentare l'eccitabilità attraverso la riduzione della funzione del canale K plus (cioè, attraverso l'espressione di forme dominanti negative di due canali Kt coinvolti nell'AHP: KCNQ2 e KCNQ32). Le cellule che esprimono canali mutanti sono state infatti assegnate preferenzialmente alla traccia di memoria, come indicato dall'aumento dei livelli dell'arco proteico IEG rispetto a quelli nei neuroni vicini non infetti. In esperimenti correlati, l'eccitabilità cellulare è stata ridotta dall'espressione di Kir2.1, una rettifica interna Canale K't Tra le cellule Kir2.1, la probabilità che le cellule fossero attive era ridotta di circa cinque volte rispetto alle cellule che non esprimevano la proteina, e questo ha portato a una minore incorporazione nella traccia di memoria. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato l'importanza dei cambiamenti di eccitabilità a livello comportamentale: quando una funzione a gradini opsina è stata utilizzata per aumentare l'eccitabilità di un sottoinsieme di neuroni dell'amigdala subito prima del condizionamento del tono, successivi esperimenti comportamentali hanno mostrato che questi neuroni erano allocati per immagazzinare il tono-shock come SOCiation40.

Presi insieme, questi risultati dimostrano che una funzione importante del CREB è quella di migliorare l'eccitabilità neuronale.1,42 e quindi modulare l'allocazione dei neuroni alla traccia della memoria. Questo aumento dell'eccitabilità da una forte attività neurale è in contrasto con le modificazioni delle conduttanze intrinseche e sinaptiche che sono omeostatiche, cioè dove una forte attività neurale porta a una ridotta eccitabilità45. Ciò solleva la questione di quale funzione potrebbe avere il miglioramento dell'eccitabilità da parte di CREB. Nei modelli di rete neurale, il potenziamento della trasmissione da parte di LTP è sufficiente per produrre la funzione di memoria, quindi cosa aggiunge il potenziamento dell'eccitabilità dipendente da CREB? Una possibilità è l'allocazione, ma qual è l'utilità dell'allocazione? Queste domande vengono affrontate nella sezione successiva.

Funzioni dell'aumento dell'eccitabilità a livello cellulare

Di seguito, descriviamo prima un'ipotesi sul ruolo dei cambiamenti dipendenti dall'apprendimento nell'eccitabilità globale che ha un sostanziale supporto sperimentale. Abbiamo quindi avanzato una seconda e più speculativa possibilità. Queste ipotesi non si escludono a vicenda.

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L'ipotesi dell'allocazione per collegare

Come descritto sopra, un aumento della quantità di CREBenhance attiva l'eccitabilità e quindi distorce l'allocazione dei neuroni nella traccia di memoria. Secondo l'ipotesi allocate-to-link44, questi cambiamenti formano un collegamento tra i ricordi di eventi che si verificano a poche ore l'uno dall'altro e quel collegamento ha una funzione importante. Come descritto sopra, un iniziale periodo di apprendimento porta ad un aumento della quantità di CREB nei neuroni di codifica della memoria che dura per ore. Il conseguente aumento dell'eccitabilità porta al reclutamento di molti di questi neuroni per codificare una nuova memoria formata durante il periodo di maggiore eccitabilità. Il risultato netto è che due memorie codificate ravvicinate nel tempo sono codificate da insiemi di neuroni sovrapposti; quindi, i due ricordi sono collegati e quel collegamento può essere alla base del ricordo di eventi separati che si verificano durante un periodo di diverse ore (Fig. 2a).

Uno studio recente ha dimostrato che gli insiemi neuronali dell'ippocampo sovrapposti catturano effettivamente ricordi di contesti esplorati da vicino nel tempo4. Per determinare direttamente se le cellule sovrapposte codificano i due contesti, gli autori hanno utilizzato un microscopio fluorescente in miniatura montato sulla testa per monitorare i transitori di calcio all'interno dei neuroni CAl dell'ippocampo del topo mentre i topi esploravano contesti diversi. C'era una maggiore sovrapposizione tra gli insiemi neuronali attivati ​​da questi contesti quando i due contesti sono stati esplorati nello stesso giorno (a distanza di 5 ore) anziché in giorni diversi (a distanza di 7 giorni) (Fig.2b). Ciò fornisce un supporto diretto all'idea che gli insiemi neuronali sovrapposti codifichino i ricordi formatisi ravvicinati nel tempo. Una conseguenza di questa sovrapposizione neuronale è che questi ricordi diventano legati comportamentalmente; si è riscontrato che quando uno dei contesti induceva una risposta di paura, anche i topi diventavano timorosi del contesto collegato, anche se non avevano mai sperimentato nulla di avversivo in quel contesto (Fig. 2c).

Ulteriore supporto per l'ipotesi di allocare-to-link è stato ottenuto attraverso la manipolazione della frazione specifica di neuroni condivisi per due ricordi. Questi studi hanno prima dimostrato che un insieme di amigdala condiviso codifica due ricordi di paura uditiva che vengono acquisiti vicino nel tempo (entro 6 h) e che questi ricordi sono collegati. I ricercatori hanno dimostrato il ruolo specifico di tali insiemi neuronali condivisi silenziandoli, il che ha influenzato l'interazione comportamentale di due compiti dipendenti dall'amigdala ma non ha interferito con il recupero dei compiti individuali47.

L'ipotesi di allocare-to-link presuppone che l'aumento dell'eccitabilità dipendente da CREB aumenti la probabilità che una cellula venga eccitata durante la codifica temporalmente stretta di altri ricordi, collegando così i ricordi migliorando la loro connettività sinaptica. Come notato, gli aumenti CREB-dipendenti dell'eccitabilità non sono omeostatici. Pertanto, vi è la preoccupazione che questo aumento dell'eccitabilità possa aumentare l'LTP e che le risposte potenziate possano rendere più probabile l'LTP successivo, portando potenzialmente a un potenziamento incontrollato. Tuttavia, la forza sinaptica è saturabile4849 e il limite risultante sull'LTP può ovviare ai problemi di eccitazione incontrollata.

Ipotesi di consolidamento dell'assieme

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. Questa ripetizione è fondamentale per la formazione di una memoria stabile, poiché l'interruzione specifica dell'SWR porta a forti deficit di memoria53-55. Sembrerebbe probabile che il coinvolgimento di un neurone negli SWR sia rafforzato da un aumento dell'eccitabilità (vedi anche rif. 3). Questo ci porta a suggerire che un'altra funzione dell'aumento dell'eccitabilità dipendente da CREB è quella di migliorare il consolidamento necessario per la formazione della memoria stabile.

Meccanismi e selettività dell'attivazione di CREB

Se CREB ha un ruolo importante nell'allocazione e nel consolidamento della memoria, la sua attivazione dovrebbe essere in gran parte limitata alle cellule che sono state coinvolte nell'apprendimento e devono essere incorporate in un insieme di memoria. I potenziali d'azione non sono un'indicazione affidabile di eventi legati all'apprendimento perché possono derivare dall'attività di sinapsi precedentemente potenziate.

Allo stesso modo, gli eventi LTP nella sinapsi non sono un indicatore affidabile del fatto che una cellula dovrebbe far parte di un nuovo insieme perché LTP può verificarsi in un ramo dendritico senza picchi somatici di sodio57,58. Fare fuoco cellulare, e quindi in grado di essere incorporato in un insieme, può richiedere che più rami subiscano plasticità sinaptica. Pertanto potrebbe essere desiderabile che CREB sia attivato preferenzialmente quando ci sono sia eventi di apprendimento nel dendrite che una depolarizzazione sufficientemente forte da causare l'attivazione. È quindi degno di nota la notevole complessità dei percorsi che portano all'attivazione CREB-dipendente (Fig. 3): una cascata di calmodulin chinasi accoppia potenziali d'azione somatici all'attivazione di CREB59,60, mentre la diffusione di ERK dal dendrite al soma accoppia la plasticità sinaptica a Attivazione di CREB61. Una possibilità interessante è che questi percorsi eseguano il calcolo biochimico necessario per contrassegnare quelle cellule che devono essere incorporate in un insieme.

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Discussione

Il campo dell'apprendimento e della memoria non ha una visione coerente del perché e del come la memoria dipenda sia dai cambiamenti specifici della sinapsi nella forza sinaptica che dai cambiamenti globali nella funzione neuronale. I recenti progressi tecnologici hanno consentito una visualizzazione e un controllo senza precedenti dei processi circuitali alla base della memoria e i risultati che ne derivano supportano l'idea che si verificano cambiamenti globali nell'eccitabilità e danno un contributo fondamentale alla memoria. Queste osservazioni sfidano i modelli standard che attribuiscono la funzione di memoria esclusivamente alla modifica sinaptica. Presentiamo due ipotesi sul ruolo specifico dei cambiamenti CREB-dipendenti nell'eccitabilità globale nella memoria che vanno oltre le opinioni tradizionali; uno (allocate-to-link) ora ha un supporto diretto, mentre l'altro (modello di consolidamento dell'ensemble) è costruito su osservazioni sperimentali ma non è stato ancora testato direttamente. Nonostante le differenze concettuali tra questi modelli, condividono un'ampia visione del processo complessivo della memoria, una visione che include eventi durante la codifica e il consolidamento e quindi va oltre i processi che sono direttamente responsabili dell'archiviazione finale della memoria. Nel modello allocate-to-link, i cambiamenti nell'eccitabilità dipendenti da CREB aggiungono funzionalità completamente nuove al sistema di memoria: la capacità di una memoria all'interno di un intervallo di tempo di associarsi selettivamente ad altri ricordi all'interno dello stesso intervallo di tempo. Nel modello di consolidamento dell'assieme, la funzionalità aggiunta è il miglioramento del consolidamento, un miglioramento specifico delle celle di traccia della memoria ed è in definitiva necessario per la formazione di un insieme stabile.

Nessuno dei modelli proposti postula che i cambiamenti trascrizionali siano effettivamente alla base dell'archiviazione della memoria stessa, e quindi questi modelli sono coerenti con la natura transitoria dei cambiamenti CREB, dell'apprendimento e dell'LTP. Questo è un punto importante perché viene spesso suggerito che il cambio trascrizionale potrebbe consentire una memorizzazione della memoria a lungo termine più stabile rispetto agli interruttori sinaptici che dipendono solo da processi post-traduzionali. Sottolineiamo che i dati su CREB non supportano questo suggerimento; sebbene la trascrizione CREB-dipendente sembri essere necessaria per la formazione di memorie stabili (in particolare nel modello di consolidamento dell'insieme), non è di per sé un meccanismo stabile di archiviazione delle informazioni e quindi non può mediare la memoria a lungo termine. Tale importante funzione può basarsi su cambiamenti stabili a livello della sinapsi (ma vedi riferimenti, 62,63) o su cambiamenti trascrizionali legati all'apprendimento diversi da quelli mediati da CREB64,65 (per la potenziale utilità di ipotizzati cambiamenti a lungo termine nell'eccitabilità, vedi rif. 66).

In sintesi, sosteniamo che qualsiasi modello generale del sistema di memoria deve ora includere sia i cambiamenti persistenti alle sinapsi che i cambiamenti transitori nell'eccitabilità globale. Tali meccanismi duali non dovrebbero essere visti come contraddittori. Piuttosto, i cambiamenti trascrizionali CREB-dipendenti funzionano per promuovere modifiche sinaptiche stabili in un modo che produce utili collegamenti temporali.

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