Обнаружены ключевые гены формирования памяти у человека

Исследователи из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета нашли гены, которые играют ведущую роль в запоминании информации. Статья с результатами этой работы опубликована в журнале Nature Neuroscience.

Нейрофизиологам известно, что формирование эпизодической памяти сопровождается образованием осцилляторных нейронных сетей: группы нейронов коры больших полушарий начинают генерировать электрические разряды с одной частотой, фактически это означает синхронизацию нейронной активности. Но до сих пор не было известно, какие гены управляют этим процессом.

Формирование памяти на нейрофизиологическом уровне исследуют в экспериментах на добровольцах с регистрацией ЭЭГ, использованием функционального магнитно-резонансного сканирования (фМРТ) или других методов визуализации. Исследовать работу генов в мозге человека можно, как правило, лишь посмертно, путем анализа транскриптомов. Проблема в том, что та и другая информация обычно поступает от разных людей. Авторам данной работы удалось получить нейрофизиологическую и генетическую информацию от одних и тех же пациентов, страдающих эпилепсией.

Ученые работали с 16 пациентами, которым в медицинских целях были вживлены электроды в височную долю коры мозга, играющую ключевую роль в генерации судорожной электрической активности при эпилепсии. Пациентам зачитывали список из 12 слов, потом предлагали решить арифметическую задачу и после этого воспроизвести как можно больше запомненных слов. Благодаря вживленным электродам исследователи регистрировали при этом внутрикортикальную ЭЭГ (iEEG), на которой наблюдали паттерн нейронной осцилляции, иными словами, синхронизации.

Затем пациентам проводили нейрохирургическую операцию — чтобы избавить их от эпилептических припадков, удаляли участок височной коры мозга, поле Бродмана 38 (BA38). Сразу после удаления этого участка из ткани мозга извлекали РНК и анализировали транскриптомы.

С помощью многофакторного анализа ученые сопоставили экспрессию генов в определенных типах клеток и информацию с электродов об электрической активности мозга при формировании памяти. Для сравнения исследовали экспрессию генов в участке коры BA38, которая была удалена у других 11 пациентов, не запоминавших слова перед операцией. Наконец, изучили и посмертные образцы от 12 здоровых индивидов и 8 пациентов с эпилепсией.

Такой аналитический подход позволил ученым обнаружить гены, принимающие участие в нейронной синхронизации при формировании памяти. Из первоначального списка 300 генов они выделили нескольких групп «узловых генов» (hub genes) — ключевых для образования нейронной сети. Мутации многих из этих генов ассоциированы с различными нарушениями обучения и памяти, с шизофренией, биполярным расстройством и другими заболеваниями психики.

Разные группы «узловых генов» экспрессировались в различных типах клеток, среди которых возбуждающие нейроны, тормозные нейроны, а также глиальные клетки, олигодендроциты, которые участвуют в метаболизме нейронов. Очевидно, что эти вспомогательные клетки тоже играют важную роль в процессах памяти.

Наконец, используя технологию ATAC-seq для выявления открытых участков хроматина, ученые провели поиск сайтов связывания транскрипционных факторов и нашли ген SMAD3, который, по-видимому, служит основным регулятором работы «узловых генов».

Дальнейшее изучение генов, ключевых для формирования памяти, поможет выявить среди них перспективные фармакологические мишени для лечения когнитивных расстройств.