Эпигенетика нейронных
изменений и обучение человека
Обучение — один из ключевых аспектов человеческой жизнедеятельности,
обеспечивающих нашу адаптивность и эволюционное преимущество. Оно тесно
связано с модификацией связей между нейронами мозга, называемых синапсами.
Ключевую роль в данном процессе играет эпигенетика — совокупность механизмов,
регулирующих экспрессию генов без изменения последовательности ДНК.
Эпигенетические механизмы способны изменять структуру хроматина, метилирование
ДНК и модифицировать гистоны, что влияет на доступность генетической информации
для транскрипционного аппарата клетки. Рассмотрим подробнее, каким образом эти
процессы участвуют в формировании памяти и обучении.
Что такое эпигенетические изменения?
Эпигенетические изменения — это модификации, влияющие на экспрессию генов и
клеточную функциональность, не затрагивая последовательность ДНК. Такие
изменения происходят в ответ на внутренние потребности организма и внешнюю
среду, вызывая различные фенотипические вариации. Основными эпигенетическими
механизмами считаются:
Метилирование ДНК
Модификации гистонов
Экспрессия малых РНК (микроРНК и siRNA)
Каждый из этих механизмов важен для формирования и поддержания новых
воспоминаний и навыков.
Метилирование ДНК
Метилирование ДНК — один из важнейших эпигенетических маркеров,
способствующих долговременной адаптации нейрона к внешним условиям.
Установлено, что длительное изменение поведения сопровождается устойчивыми
изменениями уровня метилирования ДНК. Одним из примеров является реакция на
стресс, при которой изменяется экспрессия множества генов, участвующих в работе
нейронов, включая глутаматные рецепторы NMDA и AMPA, белки семейства CREB и
BDNF (нейротропный фактор мозга).
Например, экспериментальные исследования на животных моделях демонстрируют,
что стрессовая ситуация вызывает повышение уровня метилирования определенных
участков промоторных регионов генов, кодирующих нейротрофины, что ведет к
уменьшению синтеза белков, необходимых для формирования долгосрочной памяти.
Следовательно, метилирование ДНК помогает закреплять специфичные реакции на
внешние условия путем модификации экспрессии генов, формируя новые нейронные
сети.
Модификация гистонов
Модификации гистонов играют важную роль в изменении доступности ДНК и,
следовательно, в активации или подавлении генов. Известно, что ацетилирование
гистонов ассоциировано с увеличением экспрессии генов, тогда как деацетилирование,
напротив, уменьшает доступность ДНК для транскрипции.
Исследование показывает, что формирование новой ассоциации ("память") сопряжено
с усилением ацетилирования гистонов, связанным с работой ферментов HDAC
(деацетилазы гистонов). Блокировка активности HDAC повышает уровень
ацетилированных гистонов и способствует формированию долговременной памяти.
Этот феномен объясняется тем, что ацетилирование облегчает доступ молекул
РНК-полимеразы к соответствующим участкам хромосом, усиливая синтез белковых
продуктов, нужных для роста дендритных шипиков и образования новых синапсов.
Таким образом, модификации гистонов способствуют сохранению вновь
сформированных ассоциаций и стабилизации функциональных изменений нейронов,
позволяя сохранять память на длительный срок
Микро-РНК и малые интерферирующие РНК
Микро-РНК (miRNA) и малые интерферирующие РНК (siRNA) также принимают
участие в регуляции нейронных изменений, индуцированных обучением. Они
действуют путем угнетения трансляции мРНК или деградации информационной РНК,
предотвращая избыточную продукцию отдельных белков.
Исследования указывают на повышенную экспрессию miRNAs, вовлечённых в
образование синапсов и сигнализацию кальмодулина-кальмодулин-зависимых
протеинкиназ (CaMKII), что демонстрирует их значение в механизмах запоминания и
обучения. Понимание воздействия микро-РНК открывает перспективы целенаправленного регулирования эффективности обучения путём
фармакологической манипуляции соответствующими путями.
Как эпигенетика связана с эффективностью обучения?
Рассмотрим основные аспекты влияния эпигенетики на эффективность учебного
процесса:
1. Формирование и укрепление синапсов
Одним из центральных моментов обучения является создание новых синапсов (связей
между нейронами) и поддержание существующих. Этой цели достигают
эпигенетические механизмы, воздействуя на ряд ключевых генов, управляющих
развитием и функционированием нейронов:
Белок BDNF (Brain-derived neurotrophic factor): важный элемент для выживания и
созревания нейронов. Его экспрессия усиливается при обучении, что стимулирует рост
дендритных ветвей и формирование новых синапсов. Экспериментально доказано, что
эпигенетические изменения увеличивают выработку BDNF, повышая эффективность
обучения.
CREB (cAMP response element-binding protein): регулирует экспрессию многих генов,
играющих ключевую роль в образовании памяти. Изменяя уровень ацетилирования
гистонов вокруг промоторных районов CREB, организм способен усилить или снизить
активность этого белка, что напрямую сказывается на способности запоминать новую
информацию.
NR2B субъединица рецептора NMDA: ключевой белок, ответственный за передачу
сигнала между нейронами. Обучение сопровождается изменениями метилирования и ацетилирования ДНК и гистонов вблизи генов NR2B, что обеспечивает стабильность
возникающих синапсов и поддерживает долговременную память.
2. Управление стабильностью и долговечностью памяти
Память — динамический процесс, зависящий от постоянного обновления нейронных
цепей. Эпигенетические изменения стабилизируют эти цепи, делая воспоминания
более прочными. Например:
Увеличение уровня метилирования DNA methyltransferase (DNMT) рядом с генами
глутаматных рецепторов защищает нейроны от чрезмерной возбудимости, сохраняя
целостность созданных синапсов.
Изменения ацетилирования гистонов около генов, ответственных за консолидацию
памяти, поддерживают стабильность сформировавшихся нейронных ансамблей,
гарантируя долговечность приобретенных навыков и опыта.
3. Индивидуализация процесса обучения
Эпигенетические изменения зависят от индивидуального жизненного опыта, среды
обитания и образа жизни индивида. Например, ежедневные занятия спортом и
здоровое питание приводят к улучшению состояния нейронов и повышению
эффективности обучения. Такой положительный эффект проявляется в изменениях
уровня метилирования ДНК и модификации гистонов, что благоприятствует лучшему
усвоению и обработке информации.
С другой стороны, неблагоприятные условия окружающей среды, например
постоянный стресс, снижают эффективность обучения, создавая препятствия для
нормальной эпигенетической регуляции нейронов.
Выводы
Подводя итог, эпигенетические изменения выступают важнейшим инструментом,
помогающим организму регулировать поведение и реакцию на окружающую среду, а
значит, напрямую связаны с эффективностью обучения. Их роль в создании и
поддержке нейронных связей объясняет, почему индивидуальные различия в опыте,
здоровье и образе жизни так сильно влияют на познавательную деятельность
человека.
Понимая взаимосвязь между эпигенетикой и обучением, мы можем разработать более
эффективные методики повышения продуктивности учебной деятельности,
способствовать профилактике возрастных изменений памяти и создавать
персонализированные образовательные технологии, учитывающие уникальные
свойства каждой личности.
Статья в видеоформате ( Ютуб):
Так же есть в профиле дзен