Изображение нейронов, обработанных эстрогеном, на котором зеленым цветом показана активация кальпаина. Красным цветом показаны структурные элементы клеток, называемые актиновыми филаментами, которые важны для роста и движения клеток. Изображение предоставлено Мишелем Бодри.
(PhysOrg.com) – Мишель Бодри из колледжа USC и аспирантка Сохила Задран довели сорокалетние исследования до вершины своими достижениями в науке об обучении и запоминании.
Это не уникальная ситуация в научных исследованиях, когда гипотеза оспаривается. Но наконец получить наглядное свидетельство, которое закрывает книгу о десятилетиях научных дебатов, – это уникальный и приятный успех.
Для Мишеля Бодри из колледжа USC, профессора биологических наук и биомедицинской инженерии, и аспирантки неврологии Сохилы Задран успех был еще слаще, потому что их прорыв был мгновенным и несколько неожиданным.
К середине 2008 года, когда Задран пришел в колледж, Бодри уже провел 30 лет, исследуя клеточные механизмы, лежащие в основе процесса обучения и памяти, обнаруживая связи между различными белками, ферментами и синапсами. Но были еще связи, шаги, чтобы сломаться.
Задран проучилась в колледже всего несколько месяцев, «и к лету 2008 года она практически решила эту задачу», – сказал Бодри.
Задран попытался использовать новую технику визуализации, которая с первого раза показала визуальное доказательство активации кальпаина, протеолитического фермента, жизненно важного для процесса создания памяти.
Роль кальпаина в обучении и памяти оспаривалась с тех пор, как Бодри был докторантом, и в одно мгновение его гипотеза наконец подтвердилась.
Начало
В 1973 году исследователи из Университета Осло Тимоти Блисс и Терье Лёмо обнаружили, что когда нейроны стимулируются определенным образом, сила нейронных синаптических связей изменяется, и этот процесс они назвали долгосрочным потенцированием (ДП).
После окончания Парижского университета со степенью доктора философии.D. В области биохимии Бодри начал работать на своего постдокторского консультанта Гэри Линча в Калифорнийском университете в Ирвине в 1978 году. Линч был одним из немногих ученых, которые считали, что LTP поможет провести интересные исследования. Команда сосредоточилась на нейрохимии LTP, и вскоре они поняли, что особенности LTP были похожи на особенности процесса обучения и памяти.
Когда создается память, мозг постоянно изменяется, потому что процесс изменяет нейронные синапсы – мост между нейронами, который позволяет им общаться друг с другом. Точно так же LTP также изменяет связи между нейронами. Поскольку два процесса имели одинаковый результат, Линч и Бодри полагали, что LTP, возможно, может быть клеточным механизмом, стоящим за обучением и памятью.
В 1984 году Линч и Бодри опубликовали в журнале Science статью, в которой предположили, что активация фермента кальпаина имеет решающее значение для образования LTP и, следовательно, для обучения и памяти.
Поскольку эта гипотеза была настолько новой, «научное сообщество не купилось на нее», – сказал Бодри. «С тех пор мы изо всех сил пытаемся подтвердить и принять эту гипотезу.”
Соединение точек
В 1989 году Бодри пришел в колледж, чтобы продолжить свои исследования. В течение следующих двух десятилетий он и его команда сталкивались с неудачами и добивались больших успехов, но тем не менее вопрос все еще оставался: может ли кто-нибудь на самом деле доказать, что кальпаин был звеном в процессе создания памяти?
Это подводит нас к 2008 году, когда Задран прибыл в колледж. После получения степени бакалавра Калифорнийского университета в Беркли Задран начала работать в лаборатории еще до начала учебного года.
Бодри и его исследовательская группа пытались придумать способ визуализировать активацию кальпаина и выяснить, что его активирует. Одной из первых попыток Задрана было применить метод, называемый флуоресцентным резонансным переносом энергии (FRET), в котором используются два флуоресцентных зонда, которые взаимодействуют по-разному в зависимости от расстояния до них. Когда кальпаин активируется в нейроне, возникает флуоресцентный сигнал.
Результаты были немедленными.
«Это было как молния в блюде», – сказал Задран. «Все получилось буквально с первого раза.”
Бодри и Задран обнаружили, что кальпаин активируется белком, называемым MAP-киназой, который регулирует несколько типов клеточной активности. Они также обнаружили, что сама киназа MAP активируется эстрогеном.
Таким образом, команда установила начало цепочки событий: эстроген активирует MAP-киназу, которая активирует кальпаин. Следующим шагом было доказательство того, что кальпаин связан с LTP.
Они выяснили, что фактором, который связывает эти два фактора, является процесс, называемый полимеризацией актина, который представляет собой рост актиновых нитей в дендритном шипе, где в головном мозге происходит синаптический контакт.
«Вся эта работа хорошо вписывается в рамки и дает молекулярное объяснение того, как эстроген способствует обучению и памяти», – сказал Бодри. «Теперь мы знаем каскад происходящих событий: от эстрогена до киназы MAP, от кальпаина до полимеризации актина до рецепторов глутамата.”
Задран, Бодри и их исследовательская группа опубликовали две статьи о своих выводах. В первом, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) в декабре 2009 года, описывается, как влияние эстрогена на обучение и память происходит через кальпаин. Их вторая статья, опубликованная в The Journal of Neuroscience в январе 2010 года, сообщает, что нейротрофический фактор мозга (BDNF) активирует кальпаин в мозге.
Будущее команды
Исследования, проведенные Бодри, Задраном и их предшественниками, применимы к широкому кругу заболеваний, включая рак и болезнь Альцгеймера.
Исследователи предположили, что начало болезни Альцгеймера, особенно у женщин в постменопаузе, вызвано недостатком эстрогена. Клинические испытания, посвященные заместительной терапии эстрогенами, в основном не увенчались успехом, поскольку в терапии использовалась комбинация эстрогена и гормона прогестерона, что фактически сводит на нет преимущества эстрогена.
Текущие исследования сосредоточены на других способах инициирования эстроген-опосредованных преимуществ без использования самого эстрогена, поскольку использование одного эстрогена может увеличить риск рака груди. Исследование, проведенное Бодри и Задраном, предполагает, что можно полностью обойти уровень рецепторов и активировать киназу MAP или найти другие способы облегчить активацию кальпаина и, следовательно, улучшить процесс обучения и памяти без использования эстрогена.
Задран в настоящее время изучает влияние активации кальпаина на метастазирование рака. Она также усердно работает над своей третьей статьей, в которой основное внимание будет уделено тому, что происходит между двумя этапами LTP: какой белок кальпаин активируется и как он приводит к полимеризации актина. Задран закончит учебу весной 2010 года, и недавно она была принята в аспирантуру Калифорнийского технологического института.
Бодри продолжит исследовать серию событий, ведущих к LTP, обучению и памяти. Его следующий шаг – найти точный момент в процессе, который активирует кальпаин.
«После этого мы скажем, что все, обучение и память решены!- полушутя сказал Бодри. «Тогда мы можем перейти к чему-то другому.”
Бодри знает, что исследования никогда не заканчиваются, даже когда часть головоломки ставится на место. Всегда будет больше открытий, новых методов, которые нужно попробовать, больше точек, которые нужно соединить в нашем понимании человеческой памяти.