Кратко: молекулярные каскады переводят электрическую активность в изменения эффективности и структуры синапсов (коротко- и долговременные), что реализует обучение на синаптическом уровне; затем межсистемные процессы (реплей, консолидация, гомеостаз, эпигенетика) перераспределяют и стабилизируют следы памяти в сетях мозга.
1) Синаптический уровень — ключевые механизмы и как они обеспечивают обучение
- Индукция LTP/LTD через кальций и рецепторы:
- NMDA-рецепторы чувствительны к совпадению пред- и постсинапт. активности; входящий поток $C{a}^{2+}$ детерминирует направление пластичности: при высоком $[C{a}^{2+}]$ — LTP, при более умеренном/медленном — LTD. Формально: если $[C{a}^{2+}]>{\theta }_{LTP}$ → LTP, если ${\theta }_{LTD}<[C{a}^{2+}]<{\theta }_{LTP}$ → LTD.
- Молекулярная трансдукция:
- Активируются кальций-зависимые киназы (например, CaMKII) и фосфатазы (PP1, кальцинейн), cAMP/PKA, MAPK/ERK. CaMKII при авт фосфорилировании стабилизирует LTP (усиление ответа).
- Изменение рецепторного состава и локальное экспрессия:
- AMPA-рецепторы: вставка/удаление AMPAR изменяет квантовую передачу (экспрессия LTP/LTD). Механизмы: фосфорилирование, рецепторный трафик, удержание в щели.
- Пресинаптические изменения:
- Изменяется вероятность выделения нейротрансмиттера (модуляция кальциевых каналов, белков типа synapsin, RIM) — пресинаптическая LTP/LTD.
- Spike-timing–dependent plasticity (STDP):
- Зависит от относительного времени пред/постспайка; классическая форма:
$$\Delta w(\Delta t)=\{\begin{array}{ll}{A}_{+}{e}^{-\Delta t/{\tau }_{+}},& \Delta t>0\\ -A_{-}{e}^{\Delta t/{\tau }_{-}},& \Delta t<0\end{array}$$ где $\Delta t=t_{post}-t_{pre}$. Это реализует временно-ковариационное обучение (вариант Геббовой корреляции $\Delta w=\eta x_{pre}{x}_{post}$).
- Синоптический тег и локальный синтез белка:
- Синаптическое «тегирование» + генерализованный синтез пластичностных белков (PRPs) обеспечивает селективную консолидацию ввиду локальной потребности (synaptic tagging and capture).
- Локальный трансляционный контроль и долгосрочная стабилизация:
- Локальный/дистанционный синтез белков, активация транскрипционных факторов (CREB), синтез новых белков необходимы для долговременной памяти (L-LTP). CREB: активация → транскрипция генов ранней фазы (IEGs, напр. c-fos, Arc).
- Структурная пластичность:
- Ремоделирование актинового цитоскелета в шипиках, изменение их объёма/числа, регулируемое Rho-GTPase (Rac, RhoA, Cdc42), приводит к долгосрочной морфологической основе изменения силы синапса.
- Деградация и контроль:
- Убиквитин-протеасомная система, автофагия регулируют удаление белков и перестройку синапсов.
2) Системный уровень — как молекулы обеспечивают обучение и память в сетях
- Консолидация и реплей:
- Короткосрочные синаптические изменения в гиппокампе переводятся в длительные представления в коре через повторяющийся реплей активности (особенно во время сна); это требует транскрипции/синтеза PRP и взаимодействия с тегированными синапсами.
- Модуляция и усиление селекции следов:
- Нейромодуляторы (дофамин, ацетилхолин, норадреналин) изменяют пороги пластичности, усиливают выделение PRP и влияют на метапластичность (правила изменения правил пластичности) — связывают обучение с вознаграждением/вниманием.
- Энграмы и распределение памяти:
- Наборы нейронов с повышенной возбудимостью (часто через CREB) отбираются в «энграм»-кластеры; впоследствии сети коры и гиппокампа перераспределяют следы со временем.
- Гомеостатическая пластичность:
- Для устойчивости сети существуют механизмы масштабирования синапсов и изменения собственной возбудимости нейронов (homeostatic synaptic scaling), опосредованные сигналами, контролирующими транскрипцию и трафик рецепторов, — предотвращают «перенастройку» сети.
- Эпигенетическая стабилизация:
- Длительная память сопровождается изменениями хроматина (метилирование ДНК, модификации гистонов), обеспечивающими долгосрочную регуляцию транскрипции.
- Глиальные и ретроградные сигналы:
- Астроциты (регуляция глутамата, D‑серин как кофактор NMDAR), микроглия (синаптическое приращение/огрубление) и ретроградные мессенджеры (NO, эндоканнабиноиды) влияют на сетевую и синаптическую реконфигурацию.
Краткий вывод: молекулярные механизмы (рецепторы, киназы/фосфатазы, локальная и ядерная экспрессия белков, цитоскелетный ремоделинг, модулаторы и деградация) превращают временные паттерны активности в изменённые синаптические веса и структуру. На системном уровне эти локальные изменения селективно консолидируются, реплируются и масштабируются через нейромодуляцию, гомеостаз и эпигенетические механизмы, что обеспечивает формирование, удержание и обновление памяти.