Процессы обучения и памяти лежат в основе изменения поведения, а память является одной из основных когнитивных функций. Именно память является механизмом сохранения и/или воспоминания поступившей информации. Вопросы консолидации памяти, в том числе и при формировании условных рефлексов остаются актуальными. Вопрос о механизмах обучения и памяти возник давно, но до сих пор до конца не изучен. Нейромодуляция может оказывать существенное влияние на процесс формирования долговременной памяти [1]. Такими нейромодуляторами в простой нервной системе моллюсков являются серотонин, оксид азота, глутамат. Данные литературы демонстрируют, что серотонин (5-HT) является основным медиатором, который опосредует оборонительное поведение у моллюсков. 5-HT, аплицированный в окружающий раствор, вызывает целый ряд клеточных изменений, которые ведут к повышению оборонительного рефлекса. Кроме хорошо известной роли 5-HT как медиатора в синаптической передаче было показано, что он может выполнять интегративные функции при выделении его во внеклеточную среду [1]. Эти результаты послужили основой для применения аппликации 5-HT в омывающий раствор в качестве подкрепляющего стимула для создания клеточных аналогов обучения. Посредством аппликаций 5-HT в омывающий центральную нервную систему раствор также удается воспроизвести электрофизиологические корреляты пластичности.

Оксид азота (NO) известен как одна из важнейших сигнальных молекул, регулирующих физиологические функции организма и метаболизм клеток. Большое внимание привлекает исследование роли NO в механизмах обучения и памяти. NO-синтезирующие нейроны были обнаружены в нервной системе беспозвоночных, в том числе моллюсков. У моллюсков, как и у млекопитающих, NO играет роль межклеточного мессенджера и сигнальной молекулы в различных отделах нервной системы. Нами было показано, что как донор NO нитропруссид натрия, так и блокатор NO-синтазы L-NAME оказывают прямой эффект на электрические характеристики премоторных интернейронов виноградной улитки. Известно, что существенную роль в регуляции мозговой деятельности, в частности, в процессах памяти, играет L-глутамат - основной возбуждающий нейромедиатор как у позвоночных, так и у многих беспозвоночных животных. С одной стороны, мы изучали влияние изменения содержания серотонина, оксида азота и глутамата на формирование условных оборонительных рефлексов аверзии на пищу и на изменение обстановку, а также на реконсолидацию памяти на эти рефлексы. А с другой стороны нами были проведены исследования мембранных механизмов формирования условных оборонительных рефлексов на моллюске с простой нервной системой – виноградной улитке. Для этого мы анализировали изменения возбудимости премоторных интернейронов оборонительного рефлекса LPa3 и RPa3: величины мембранного потенциала (Vm) и порога генерации потенциала действия (Vt).

Было найдено, что аппликации 5-HT и предшественника его синтеза 5-гидрокситриптофана (5-HTP) в раствор, омывающий препарат, вызывали уменьшение мембранного потенциала (Vm) нейронов LPa3 и RPa3 как интактных, так и обученных. В то же время у обученных и сенситизированных улиток, в отличие от интактных, эта аппликации вызывала возрастание порогового потенциала (Vt). Результаты показывают, что ответы (чувствительность) премоторных интернейронов на экстраклеточно апплицированный 5-HT или 5-HTP изменяются после ассоциативного обучения и долговременной сенситизации. Было продемонстрировано, что реконсолидация этой контекстуально зависимой памяти на обстановочный условный рефлекс (УР) при напоминании и одновременного ингибировании синтеза белка не происходит, если в нервной системе нарушена серотониновая передача. Показано, что выработка УР на обстановку сопровождается деполяризационным сдвигом и снижением Vt нейронов LPa3 и RPa3. Не было обнаружено дальнейших изменений Vm после напоминания (инициации реконсолидации) как с последующей инъекцией блокатора белкового синтеза, так и физиологического раствора. Vt у этих нейронов снижается после обучения и сохраняется далее неизменным после инициации реконсолидации.

Было найдено, что блокирование рецептора NMDA блокатором МК-801 у виноградных улиток ускоряет процесс аверсивного обучения. Было показано, что аппликация донора NO нитропруссида натрия в раствор, омывающий препарат интактных улиток, вызывает нарастающую гиперполяризацию мембраны премоторных интернейронов на 5.5 мВ к 10-й минуте. Аппликация блокатора NO- синтазы L-NAME в раствор, омывающий изолированный препарат улиток, вызывала постепенное снижение в течение 30 мин мембранного потенциала на 5.0 мВ. Таким образом, нами продемонстрировано, что у определенных нейронов блокада синтеза NO (т.е. уменьшение его количества) может вызывать деполяризацию мембраны, а дополнительный NO - гиперполяризацию. Это позволяет высказать предположение о корреляции уровня NO в нейроне с его мембранным потенциалом. Полученные результаты также свидетельствуют о необходимости 5-HT для процесса реконсолидации памяти на примере виноградной улитки.

Работа поддержана Программой стратегического академического лидерства Казанского федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030).

1. Сахаров Д.А. Биологический субстрат генерации поведенческих актов. Журн. общей биол. 2012, том 73, № 5, с. 324–348.

Processes of learning and memory underlie behavior change, and memory is one of the main cognitive functions of the brain. The mechanism for storing and/or remembering the received information constitutes memory. The issues of memory consolidation, including the formation of conditioned reflexes, remain relevant. Although the question about the mechanisms of learning and memory arose a long time ago, it has not yet been fully studied. Neuromodulation can have a significant impact on the formation of long-term memory [1]. Examples of neuromodulators in the simple nervous system of mollusks are serotonin, nitric oxide, and glutamate. The literature demonstrate that serotonin (5-HT) is the main mediator that modulate defensive behavior in mollusks. 5-HT, applied to the surrounding solution, causes several cellular changes that lead to an increase in the defensive reflex. In addition to the well-known role of 5-HT as a mediator in synaptic transmission, it was shown that it can perform integrative functions when released into the extracellular environment [1]. These results served as the basis for the application of 5-HT washing solution as a reinforcing stimulus for the purpose of creating cellular analogs of learning. By applying 5-HT to the solution washing the central nervous system, it is also possible to reproduce the electrophysiological correlates of plasticity.

Nitric oxide (NO) is known as one of the most important signaling molecules regulating the physiological functions of the body and cell metabolism. Much attention is drawn to the study of the role of NO in the mechanisms of learning and memory. NO-synthesizing neurons have been found in the nervous system of invertebrates, including mollusks. In mollusks, as in mammals, NO plays the role of an intercellular messenger and a signaling molecule in various parts of the nervous system. We have shown that both the NO donor sodium nitroprusside and the NO-synthase blocker L-NAME have a direct effect on the electrical characteristics of the premotor interneurons of the terrestrial snail. It is known that an essential role in the regulation of brain activity, particularly in memory processes, is played by L-glutamate, the main excitatory neurotransmitter in both vertebrates and many invertebrates. On the one hand, we studied the effect of changes in the content of serotonin, nitric oxide and glutamate on the formation of conditioned defensive reflexes of aversion to food and changing the environment, as well as on the reconsolidation of memory of these reflexes. On the other hand, we have conducted studies of the membrane mechanisms of the formation of conditional defensive reflexes in a mollusk with a simple nervous system – the terrestrial snail. To do this, we analyzed changes in the excitability of the premotor interneurons of the defensive reflex LPa3 and RPa3: the values of the membrane potential (Vm) and the threshold of action potential generation (Vt).

It was found that the application of 5-HT and the precursor of its synthesis 5-hydroxytryptophan (5-HTP) into the washing solution caused a decrease in the membrane potential (Vm) of LPa3 and RPa3 neurons, in both intact and trained animals. At the same time, in trained and sensitized snails, unlike intact snails, this application caused an increase in threshold potential (Vt). The results show that the responses (sensitivity) of premotor interneurons to extracellularly applied 5-HT or 5-HTP change after associative learning and long-term sensitization. It has been demonstrated that the reconsolidation of this contextually dependent memory of the situational conditioned reflex (CR) during reminder and simultaneous inhibition of protein synthesis does not occur if serotonin transmission is disrupted in the nervous system. It is shown that the development of the CR to the situation is accompanied by a depolarization shift and a decrease in the Vt of LPa3 and RPa3 neurons. No further Vm changes were detected after the reminder (initiation of reconsolidation) both with the subsequent injection of a protein synthesis blocker or saline solution. The Vt of these neurons decreases after learning and remains unchanged after the initiation of reconsolidation.

It was found that blocking the NMDA receptor with the MK-801 blocker in terrestrial snails accelerates the process of aversive learning. It has been shown that the application of a NO sodium nitroprusside donor into a solution washing the preparation of intact snails causes an increasing hyperpolarization of the membrane of premotor interneurons at 5.5 mV by the 10th minute. The application of the L-NAME NO-synthase blocker into the solution washing the isolated snail preparation caused a gradual decrease in the membrane potential by 5.0 mV for 30 minutes. Thus, we have demonstrated that in certain neurons NO synthesis inhibition (i.e. a decrease in its amount) can cause depolarization of the membrane whileincreasing NO causes hyperpolarization. This allows us to assume the correlation of the NO level in a neuron with its membrane potential. The obtained results also indicate the need for 5-HT for the process of reconsolidation of memory in the example of a grape snail.

This work was funded by Kazan Federal University Strategic Academic Leadership Program (PRIORITY-2030).

1. Sakharov D.A. Biological substrate of generation of behavioral acts. Journal. General biol. 2012, volume 73, No. 5, pp. 324-348.