Память и обучение традиционно связывались с нервной системой, где сложные цепи нейронов обрабатывают и сохраняют информацию. Однако недавние исследования проливают свет на удивительное явление: эффект массированного и разнесённого обучения, известный как основной феномен когнитивных процессов, наблюдается не только в нейронных, но и в немозговых человеческих клетках. Это открытие значительно расширяет понимание, как и где формируются долговременные изменения, связанные с памятью, на уровне отдельных клеток, выходя за рамки привычных нейронных сетей. В центре этого исследования находятся сигнальные каскады и молекулярные механизмы, позволяющие клеткам кодировать повторяющиеся стимулы с различной временной организацией, влияя на их способность к запоминанию. Эффект состоит в том, что разнесённое обучение, при котором стимулы повторяются с оптимальным интервалом времени между ними, порождает более устойчивые и сильные клеточные изменения по сравнению с массированным обучением, когда вся стимуляция происходит в сжатый промежуток без перерывов.
Эксперименты проводились на человеческих немозговых клеточных линиях, таких как SH-SY5Y и HEK293, устойчиво экспрессирующих репортер люциферазу под контролем CREB-зависимого промотора. В качестве тренировочных импульсов использовались повторные кратковременные воздействия активаторов PKA и PKC — ферментов, играющих ключевую роль в передаче сигналов, связанных с памятью. Особенность данной системы в том, что она позволяет воспроизводить учебную «сессию» на клеточном уровне, имитируя природный нейронный ответ, но в гораздо более простом и управляемом экспериментальном контексте. Результаты показали, что четыре разнесённых импульса активации ферментов приводят к гораздо более значительной и долгосрочной активации CREB и ERK — молекулярных ключевых факторов памяти, чем один массированный импульс одинаковой длительности. Кроме того, пространственное расположение стимулов вызывает более длительное поддержание активности этих белков, что обусловливает устойчивость памяти «на клеточном уровне».
Также было продемонстрировано, что при блокировке активности ERK или CREB эффект разнесённого обучения исчезает, что свидетельствует об их центральной роли в формировании длительных клеточных изменений. Это подтолкнуло учёных к выводу, что, вопреки традиционному мнению, базовые принципы формирования памяти не исключительно зависят от нейронных цепей, а заложены глубже в общие клеточные механизмы сигналинга. Такое открытие имеет огромное значение для понимания клеточной когнитивности — способности клеток воспринимать, интерпретировать и долгосрочно запоминать сигналы из внешней среды. Базовые компоненты, связанные с памятью, — транскрипционный фактор CREB, сигнальный кинозный путь ERK и их динамика активации — оказались консервативными не только для нервной системы, но и для прочих клеточных типов. Это открывает возможности изучать память и обучение с корней клеточной биологии, используя гораздо более доступные и масштабируемые модели, чем сложные нейронные культуры.
Такой подход обещает ускорить развитие формальных моделей учебных процессов, а в дальнейшем может привести к новым стратегиям для улучшения когнитивных функций и лечения нарушений памяти. Кроме того, выявление оптимального интервала между тренировочными импульсами различными киназами (PKA и PKC), управляющими сигнальной динамикой, указывает на высокую временную чувствительность клеточных систем к повторяющимся стимулам. Эта чувствительность может лежать в основе центральных аспектов пространственного эффекта обучения, таких как интервал повторения и количество обучающих сессий, влияющих на продуктивность и устойчивость памяти. Молекулярные механизмы, обеспечивающие долговременную активацию ERK, включают положительные обратные связи и мультифосфорилирование, что позволяет клетке интегрировать сигнал и преобразовывать кратковременные стимулы в продолжительные изменения транскрипционной активности. CREB же, являясь конечным интегратором этих сигналов, запускает транскрипцию немалого числа генов немедленного ответа, обеспечивая долгосрочные регуляторные эффекты.
В данном контексте использование люциферазного репортера с PEST-модификацией, которая ускоряет деградацию белка, позволяет измерять именно текущую транскрипционную активность, а не суммарное накопление продукта, что дает возможность объективно отслеживать динамику памяти на клеточном уровне. Помимо фундаментального научного интереса, подобные открытия поднимают необычный вопрос о границах когнитивных способностей клеток вне нервной ткани. Клетки постоянно сталкиваются с меняющимися условиями окружающей среды и должны эффективно реагировать на сигналы с учетом их временного паттерна. Подобная функциональность демонстрирует, что память не ограничивается узкоспециализированными нейронными сетями, а является универсальной особенностью жизни на клеточном уровне. В перспективе это может вдохнуть новую жизнь в направления биомедицинских исследований, включая поиск новых мишеней для терапии заболеваний, связанных с нарушениями памяти, с возможностью воздействия на общемолекулярные элементы ERK- и CREB-сигналинга.
Также результаты помогают переосмыслить методы обучения и развития памяти, подчеркивая важность оптимальной частоты и распределения обучающих стимулов как на уровне индивидуального организма, так и на куда более фундаментальном биологическом уровне. Таким образом, эффект массированного и разнесённого обучения обнаруживается не только в нейронных клетках мозга, но и в немозговых человеческих клетках, благодаря универсальным молекулярным механизмам, которым свойственна чувствительность к временным паттернам стимуляции. Это открытие предоставляет мощный инструмент для исследований памяти на клеточном уровне, объединяя сигнальные каскады ERK и CREB и акцентируя важность временной структуры для формирования устойчивых изменений. В итоге формируется новая парадигма понимания памяти как свойство древних и общих биологических процессов, что кардинально расширяет горизонты научных исследований в области нейронауки, клеточной биологии и когнитивных наук.
