Muistin molekulaariset mekanismit

Genetiikka ja fysiologia

2016

Joni Haikonen

1

Sisällysluettelo 1. Johdanto: Mitä on muistaminen solutasolla? ......................................................................................... 2

2. Kalsiumaalloista plastisuuteen: Kaikki tiet johtavat CREB:iin ................................................................. 3

2.1 CREB:in rakenne ja aktivaatio .............................................................................................................. 3

2.2 Viestimolekyylit ja signalointitiet: Tie kohti CREB:iä ........................................................................... 4

2.3. Kalsium, glutamaattireseptorit ja reseptoriliikenne ................................................................................ 6

3. CREB:in geenituotteet ............................................................................................................................... 8

3.1 Synaptinen merkintä ja nappaus- hypoteesi: Kuinka hermosolu valitaan muistin säilyttämiseen

hermoverkossa? .............................................................................................................................................. 11

3.2 Muistin rakentumisen yhteenveto ja laajempi käsitys: Jatkuva ja monimutkainen prosessi ............... 12

4. CREB in vivo ja tutkimusongelmat ......................................................................................................... 15

5. Mikrotubulukset ja aika-avaruuden fraktaalimieli: Onko neurobiologia tarpeeksi muistin

ymmärtämiseksi? ............................................................................................................................................ 18

6. Kirjallisuusviittet ..................................................................................................................................... 22

2

1. Johdanto: Mitä on muistaminen solutasolla?

Tieto välittyy hermosoluissa aktiopotentiaalien muodossa hetkellisinä biosähköisinä

ärsykkeinä. Hermosolut jakavat tätä tietoa keskenään synaptisten yhteyksien välityksellä,

joissa aktiopotentiaalin iskeytiminen presynaptiseen terminaaliin aiheuttaa

jänniteriippuvaisten ionikanavien aukeamisen ja kalsiumin virtaamisen solun sisään.

Tämän johdosta presynaptisen päätteen välittäjäaineita sisältävät vesikkelit yhdistyvät

solumembraanin kanssa ja vapauttavat joukon erilaisia välittäjäaineita synaptiseen

välitilaan, jossa ne sitoutuvat postsynaptisen terminaalin reseptoreihin. Välittäjäaineiden

sitoutuminen avaa reseptorien ionikanavat, jolloin tästä aiheutuva ionivirta postsynaptisen

hermosolun sisään depolarisoi tämän kalvojännitteen ja aktiopotentiaalin johtuminen voi

jatkaa matkaansa aina seuraavaan hermosoluun.

Hermosolujen kyky tallentaa tätä hetkellistä tietoa on liitetty synapsien pitkäkestoisiin

rakenteellisiin ja toiminnallisiin muutoksiin (Lynch 2004). Pitkäkestoinen potentiaatio (PKP)

vahvistaa synaptisia yhteyksiä muokkaamalla näiden kykyä vapauttaa ja vastaanottaa

välittäjäaineita ja täten myös niiden kykyä johtaa aktiopotentiaaleja, ja synapsien

pitkäkestoinen depressio (PKD) puolestaan heikentää näitä ominaisuuksia (Purves et al.

2012). PKP:n tai PKD:n aktivoituminen ovat riippuvaisia sähköärsykkeiden taajuuksista ja

tiheydestä, välittäjäaineiden määrästä, pre- ja postsynaptisen terminaalien reseptorien

tyypeistä ja määrästä, solunsisäisten viestimolekyylien määrästä, sekä geeniluennan

aktivoitumisesta (Lynch 2004).

Geeniluennan käynnistyessä, hermosolut rakentavat uusia proteiineja ja RNA-molekyylejä,

joilla ne voivat tuottaa pitkäaikaisia muutoksia synapsien rakenteessa ja toiminnassa.

Hermosoluissa muistiin liittyvän transkriptiokoneiston käynnistäjänä toimii

transkriptiofaktori CREB (cAMP-responsive element binding protein), joka aktivoituessaan

viestimolekyylien signalointiteiden välityksellä aloittaa monien geenien luennan (Lynch

2004). Muistin tallentuminen hermosoluissa on siis olennaisesti liitetty synapsien

pitkäkestoisiin keskustelukyvyn ja rakenteen muutoksiin ja ilman geeniluentaa nämä

muutokset eivät olisi mahdollisia.

Tutkielmani tarkoitus on valaista CREB:in toimintaa; mikä CREB on, miten sitä aktivoidaan

ja säädellään, minkälaisiin muutoksiin se johtaa ja miten nämä muutokset liittyvät PKP:hen

ja PKD:hen ja täten pitkäkestoiseen muistin muodostumiseen. Matkaan hermosolujen

3

syvyyksiin tutkimaan näitä neuroplastisuuden mekanismeja tärkeimpien

välittäjäainereseptorien, viestimolekyylisignalointiteiden ja CREB:in toimintojen

näkökulmista ja pyrin osoittamaan kuinka monitasoista muistin luomisen säätely on.

Käsittelen mihin CREB:in käynnistämä transkriptio johtaa ja miten nämä efektit lopulta

esiintyvät hermosolujen välittäjäainereseptorien määrissä ja hermoverkoissa synaptisen

merkkauksen yhteydessä. Selvitettyäni solu- ja molekyylitason tapahtumia muistin

muodostumisessa, esitän kuinka CREB:iä on kokeellisesti testattu eri organismeilla ja

kuinka sen muistiin vaikuttavat ominaisuudet ovat nähtävissä. Lopuksi teen katsauksen

muistin syvempään biofyysiseen olemukseen.

2. Kalsiumaalloista plastisuuteen: Kaikki tiet johtavat CREB:iin

Muistin säilyminen hermosoluissa on monimutkainen ja alati muuttuva biokemiallinen

prosessi, mutta tästä monimutkaisuudesta huolimatta suuri osa tästä solunsisäisestä

viestinnästä keskittyy CREB:in aktivoimiseen. Tämä viestintäketju alkaa hermoärsykkeen

jälkeisestä kalsiumvuosta hermosoluun ja johtuu paikallisten solunsisäisten

kalsiumkonsentraatioiden ja kalsiumin aktivoimien viestimolekyylien kautta CREB:in

säätelyyn ja tätä kautta joko PKP:on tai PKD:on. Ennen kuin lähden käsittelemään tätä

tapahtumasarjaa, on syytä ymmärtää CREB:in rakenne ja aktivaatio.

2.1 CREB:in rakenne ja aktivaatio

CREB on transkriptiofaktori, joka sisältää leusiinivetoketju alueen (bZIP, Basic Leucine

Zipper Domain), kaksi säätelyaluetta Q1 ja Q2, sekä näiden välissä sijaitsevan

kinaasiaktivoitavan alueen (kinase inducible domain, KID) (Lonze & Ginty 2002). CREB

geeniperheeseen kuuluvat myös CREB:in isomuodot α,β, ja ∆, ATF-1 (activating

transcription factor 1), CREB:in toiminnan estäjät CREM (cAMP response element

modulator) α, β ja γ, sekä ICER (inducible cAMP early repressor) (Silva et al. 1998, Lonze

& Ginty 2002).

CREB:in aktivoituminen tapahtuu KID alueen seriiniyhdisteiden (Ser-133) fosforyloinnin

kautta ja CREB sitoutuu leusiinivetoketjun avulla niiden geenien promoottoreihin, jotka

4

sisältävät CRE-konsensussekvenssin (cAMP responsive element, TGACGTCA) (Barco &

Marie 2011). KID alue rekrytoi luokseen geeniluennan koaktivaattorin CBP:n (CREB

binding protein), jolloin RNA polymeraasi II voi sitoutua CBP:hen ja Q1, sekä Q2

säätelyalueet sitovat muita transkription aloitukseen tarvittavia proteiineja (Xing et al. 1995,

Lonze & Ginty 2002, Barco & Marie 2011). Kornhauser et al. (2002) osoittivat, että

CREB:iä voidaan valikoivasti fosforyloida myös alueilla Ser142 ja Ser143, riippuen

kalsiumionien sisään virtauksen määrästä neuronissa. Näiden alueiden muokkaus voi joko

aktivoida tai estää CREB:in geeniluenta aktiivisuutta. Myös CREB:iin sitoutuva CBP on

erilaisten fosforylointitapahtumien säätelyn alaisena, jotka säätelevät sen sitoutumiskykyä

CREB:iin transkription aloittamiseksi. (Deisseroth & Tsien 2002, Lonze & Ginty 2002).

Edellä mainitut seikat CREB:in toiminnasta auttavat ymmärtämään, että CREB:in ja täten

myös myöhempien PKP:on, PKD:on ja muistiin vaikuttavien rakenneproteiinien ja RNA-

molekyylien synty ovat pohjimmiltaan geneettisen säätelyn alaisena. CREB, siihen

sitoutuvat proteiinit ja sitä aktivoivat viestimolekyylit säätelevät tarkoin milloin ja miten

CREB:iä aktivoidaan tai estetään ja jokainen tekijä tässä viestiketjussa sisältää omat

aktivaatio ja inhibitio mekanismit. Tämän säätelyn monimutkaisuus tulee valaistumaan

entisestään kun lähden käsittelemään seuraavaksi CREB:in aktivaatioon johtavia

viestimolekyyli signalointiteitä.

2.2 Viestimolekyylit ja signalointitiet: Tie kohti CREB:iä

CREB:iä fosforyloi pääasiallisesti neljä signalointitietä: cAMP (syklinen

AMP)/PKA(proteiinikinaasi A), MAPK (mitogeeni aktivoita proteiinikinaasi), CaMKII- ja IV

(kalmoduliinikinaasi), sekä Ras/ERK (ekstrasellulaari signaalisäädelty kinaasi) (Ortega-

Martinez 2015). Monet näistä signalointireiteistä ovat kalsiumaktivoitavia, ja täten

riippuvaisia siis solun sisäisestä kalsiumin määrästä. Pyrin käsittelemään jokaista näistä

lyhyesti.

cAMP/PKA -signalointitie oli ensimmäinen tunnettu CREB:iä aktivoiva signalointireitti

(Kandel 2001). Tiehyessä sisään tulvivat kalsiumionit jänniteriippuvaisten NMDA (N-

metyyli-D-aspartaatti) reseptorien kautta aktivoivat syklistä AMP:ta, joka puolestaan

sitoutuu PKA:n säätelyalueisiin, vapauttaen sen katalyyttisen alayksikön (Kandel 2012).

Solun cAMP -konsentraatio voi myös lisääntyä kun hermosolujen G-proteiinisidonnaisia

5

reseptoreja aktivoidaan hermovälittäjäaineiden avulla (Lonze & Ginty 2002). PKA:n on

osoitettu suoraan aktivoivan CREB:iä fosforyloimalla sitä Ser133 kohdalta (Delghandi et al.

2005).

Ras/ERK ja MAPK- signalointitiet ovat yhteydessä toisiinsa, sillä ne molemmat aktivoituvat

kasvutekijävälitteisesti (Lonze & Ginty 2002). Kasvutekijöiden sitoutuessa hermosolun

kasvutekijäreseptoreihin, Ras-proteiini aktivoituu hermosolun sisällä, joka johtaa RAF,

MEK (mitogeeniaktivoitava proteini kinaasi kinaasi) ja lopulta MAPK aktivointiin (Xing et al.

1996). MAPK puolestaan voi aktivoida useita RSK (ribosomaalinen r6 kinaasi) ja MSK

(mitogeeni- ja stressiaktoivoitava kinaasi) perheiden viestimolekyylejä, jotka voivat

suoraan fosforyloida CREB:iä (De Cesare et al 1998, Hauge & Frödin 2006). Davis et al.

(2000) vahvistavat tätä käsitettä osoittamalla suoran yhteyden MAPK/ERK signalointitien

ja CREB:in aktivaation kanssa.

Ras, MAPK ja cAMP/PKA signaloinnilla on myös yhteys toisiinsa. PKA voi aktivoida Rap-1

viestimolekyylin, joka johtaa B-Raf, MEK ja lopulta MAPK ja CREB aktivaatioon(Waltereit

& Weller 2003). PKA kuitenkin estää Ras viestimolekyyliä, jolloin aiemmin mainittu

Ras/Raf/MEK/MAPK signalointi estyy. CREB:iin johtavat signalointitiet eivät ole siis

yksiselitteisiä, vaan sisältävät myös mahdollisesti keskustelua keskenään, joka johtaa

tarkoin säädeltyyn CREB:in aktivoimiseen.

Kalmoduliinikinaasit (CaMKII ja CaMKIV) ja kalsineuriini ovat kalsiumaktivoitavia

viestimolekyyljä, joiden on myös osoitettu olevan tärkeässä roolissa CREB:in

aktivoinnissa. CaMKIV kykenee fosforyloimaan CREB:iä Ser133:ssa ja kalsineuriini

defosforyloi CREB:iä proteiinifosfataasi 1 (PP1) välitteisesti (Deisseroth & Tsien 1996).

CaMKII on osoitettu toimivan sekä CREB:in aktivoijana, että estäjänä, fosforyloiden joko

CREB:in Ser133 tai Ser142 (Wu & McMurray 2000, Johannessen et al. 2004).

CREB:in aktivaatio on siis monimutkaisen biokemiallisen viestintäverkoston takana. Edellä

mainitut asiat ovat hyvin tiivistetty ja yksinkertaistettu versio tästä viestinnästä ja

Johannessen et al. (2004) listaavat häkellyttävän määrän CREB:in aktivaatioon ja

estymiseen johtavia stimuluksia ja signalointiteitä, joita olisi mahdotonta käsitellä yhdeltä

istumalta. On syytä myös huomata että jokainen näistä viestijämolekyyleistä on

konsentroitunut eri alueille, eri määrin hermosolun sisätilassa. Yksi hermosolu voi sisältää

tuhansia synaptisia yhteyksiä joiden kanssa se keskustelee jatkuvasti ja nämä keskustelut

johtavat tietynlaisten kalvoproteiinien kautta, tietynlaisiin paikallisiin

6

kalsiumionikonsentraatioihin, jotka aktivoivat paikallisesti konsentroituneita

viestimolekyylejä, jotka johtavat erilaisiin lomittain kulkeviin signalointiteihin. Nämä

signalointitiet voivat toimia yhdessä, estää tai aktivoida toisiaan ja toimia eri aikaväleillä,

johtaen CREB:in tarkoin säädeltyyn ja tarkoin ajoitettuun aktivointiin tai inhibointiin.

2.3. Kalsium, glutamaattireseptorit ja reseptoriliikenne

Jotta viestimolekyylien signalointitiet ja lopulta CREB aktivoituisivat, tulee pre- ja

postsynaptisen päätteen sisään virrata kalsiumioneja. Kalsiumionien sisäänpääsy on

riippuvainen synapsien pinnalla olevista välittäjäainereseptoreista ja jänniteriippuivaisista

ionikanavoista. Hermoärsykkeen taajuus ja tiheys määrää kuinka paljon välittäjäainetta

vapautetaan presynaptisesta päätteestä ja täten kuinka paljon välittäjäaine aktivoi

postsynaptisen päätteen reseptoreita.

CREB:in kannalta tärkeimmät välittäjäainereseptorit ovat tyypin I metobotrooppiset

glutamaattireseptorit (mGluR), sekä NMDA ja AMPA ionitrooppiset glutamaattireseptorit

(Rao & Finkbeiner 2007). AMPA reseptorit aukeavat suoraan sidottuaan glutamaattia ja

aiheuttavat K+- ja Na+- ionivuon synapseissa. NMDA reseptorit puolestaan vaativat

glutamaatin lisäksi solukalvon depolarisaation avautuakseen, sillä depolarisaatio poistaa

reseptorin suuaukolla sijaitsevan Mg2+ -ionin (Brini et al. 2014). Mg2+ -ioni toimii

eräänlaisena esteenä synapsin kalvoston ollessa lepopotentiaalissa, jolloin vain voimakas

ärsyke voi poistaa sen ja myöhemmin aktivoida muistiin liittyvän transkription. Sen on

osoitettu estävän myös CREB:in estoaineiden ilmenemistä ja täten mahdollistavan

CREB:in aktivaation oikeanlaisen ärsykkeen yhteydessä (Miyashita et al. 2012). NMDA

reseptorit ovat siis sekä ligandi-, että jänniteriippuvaisia toiminnassaan ja natriumionien

lisäksi se läpäisee kalsiumioneja ja toimii täten hermosolun yhtenä tärkeimpänä

kalsiumionikonsentraation säätelijänä (Brini et al. 2014).

AMPA ja NMDA reseptoreilla vallitsee myös yhtenäinen suhde, sillä suuri AMPA

reseptorien aktivointi voi johtaa postsynaptisen päätteen solukalvon depolarisaatioon ja

täten NMDA reseptorien aktivointiin (Rao & Finkbeiner 2007). Näiden reseptorien toiminta,

paikka ja määrä on suoraan linkitetty CREB:in toimintaan ja ne ovat täten myös osoitettu

säätelevän PKP:n tai PKD:n ilmenemistä hermosoluissa (Köhr 2006, Rao & Finkbeiner

2007).

7

Tyypin I mGluR ovat G-proteiinisidonnaisia reseptoreja ja aktivoituvat sitoessaan

glutamaattia, jolloin ne vapauttavat solun sisäisiä kalsiumvarastoja ja aiheuttavat

signalointiteiden (PKA, CaMK, MAPK) tapahtumasarjoja ja lopulta CREB:in fosforylointia

(Wang & Zhuo 2012). Ne kykenevät myös ohjaamaan jänniteriippuvaisten

kalsiumkanavien toimintaa, joka luonnollisesti johtaa suurempaan kalsiumkonsentraatioon

hermosolun sisällä ja myöhemmin CREB:in toimintaan (Wang & Zhuo 2012).

Edellä mainittujen reseptorien toimintaperiaatteet eivät ole yksinkertaisia. Kaikki

reseptorityypit voivat aiheuttaa synaptisten yhteyksien vahvistumista tai heikkenemistä ja

voivat aktivoida CREB:iä eri tavalla. Lisäksi ne voivat sisältää erilaisia proteiinialayksikkö

alaluokkia, jotka edelleen vaikuttavat niiden ominaisuuksiin.

Middei et al. (2013) osoittivat CREB:in säätelevän suoraan Glu1A alayksikön AMPA

reseptorien esiintymistä postsynaptisessa päätteessä. AMPA reseptorien väheneminen

CREB:iä inhiboitaessa johti hermosolut PKD:on ja päinvastoin CREB:iä aktivoitaessa,

hermosolujen AMPA määrät lisääntyivät ja plastisuuden polariteetti kääntyi PKP:on.

Massey et al. (2004) puolestaan osoittivat samankaltaisia tuloksia, mutta NMDA

reseptoreilla. NR2A alayksikön NMDA reseptorien aktivointi johti hermosolun ilmentämään

PKD:ta ja päinvastoin NR2B alayksikön NMDA reseptorit PKP:ta. He ilmoittivat myös, että

synapsien ulkopuolella tai vieressä sijaitsevat NMDA reseptorit kykenivät johtamaan

PKD:n ilmenemiseen, pitkäaikaisen matalataajuisen ärsykkeen yhteydessä. Tämä osoittaa

että NMDA reseptorien aktivaatio on myös ärsyke- ja paikkariippuvaista. Liu et al. (2004)

vahvistavat käsitystä NMDA reseptorien alatyyppien toiminnoista päätymällä samoihin

tuloksiin.

Glutamaattireseptorit eivät ole myöskään paikallaan pysyviä rakenteita vaan niiden

määrää ja tyyppiä synapsien solukalvolla säädellään reseptoriliikenteen avulla. Eri tyypin

ja proteiinialaluokan reseptorit kulkevat hermosolun mikrotubuluksia tai aktiinia pitkin

synapseihin dyneiini ja kinesiini moottoriproteiinien avulla (Kapitein et al. 2010, Horak et al.

2014). Reseptoriliikenteen säätelijöinä toimivat CREB ja sitä säätelevät CaMKIV ja

CaMKII.

CREB:in aktivoituessa NMDA reseptori ja CaMKIV välitteisesti, muodostuu ns. ”hiljaisia

synapseja”, joiden solukalvolla on vain NMDA reseptoreja (Marie et al. 2005). NMDA

reseptorien ominaisuuksista johtuen synapsi on vaikeasti ärsytettävissä, mutta tarpeeksi

voimakas ärsyke voi aktivoida reseptorit, aiheuttaen kalsiumvuon hermosoluun. Tämä

8

johtaa AMPA reseptorien liikennöintiin ja ilmentämiseen postsynaptisen päätteen

solukalvolla, jolloin synapsi on jälleen helpommin ärsytettävissä ja pre- ja postsynaptisten

päätteiden yhteydet (kommunikaatio) vahvistuvat (PKP) (Morita, Rah & Isaac 2013).

CaMKII säätelee epäsuorasti AMPA reseptorien liikennöintiä indusoimalla hermosolun

aktiinitukirangan polymerisaatiota Rho GTPaasi välitteisesti. Aktiinitukirangan kasvaessa

synapsin koko kasvaa ja mahdolliset uudet ”aktiinitiet” kykenevät tuomaan uusia AMPA

reseptoreja suurentuneeseen synapsiin (Herring & Nicoll 2016). CaMKII kykenee myös

säätelemään L-tyypin kalsiumkanavien toimintaa, joka johtaa CREB:in aktivaatioon ja

PKP:on (Wheeler et al. 2008).

Muistin syntyminen vaatii siis muutoksia synapsien kalvoproteiineissa ja morfologiassa.

CREB on riippuvainen näiden kalvoproteiinien toiminnasta, sillä se kuinka paljon ja mitä

reseptoreja synaptinen solukalvo ilmentää kullakin ajan hetkellä, vaikuttaa suoraan

CREB:in toimintaan. CREB ja sitä säätelevät viestimolekyylit kykenevät puolestaan

tuottamaan muutoksia näissä synapsin ominaisuuksissa. Muistin luontiin liittyvät prosessit

ovat siis jokseenkin syklisiä ja jatkuvasti riippuvaisia toisistaan. Tämä käsite tulee

valaistumaan entisestään kun siirryn seuraavaksi käsittelemään CREB:in

transkriptiotuotteita ja -kohteita.

3. CREB:in geenituotteet

Impley et al. (2004) listaavat noin 41,000 geeniä, jotka sisältävät CRE-elementin

promoottoreissaan. Näistä geeneistä tunnetaan vain muutamia, jotka ovat yhteydessä

synapsien rakenteellisten ja toiminnallisten ominaisuuksien muutoksiin. Vaikka kaikkien

näiden geenituotteiden määrien on todettu nousevan muistin luomisessa ja sen

muistamisessa, niiden kaikkia säätelykohteita ei varsinaisesti tunneta. Esimerkiksi egr-

1/zig268 on todettu ilmentyvän monissa erityyppisissä muistikokeissa ja sen ilmenemisen

estäminen johtaa välittömästi opitun tehtävän unohtamiseen, mutta sen varsinainen

toimintamekanismi hermosoluissa on tuntematon (Davis et al. 2003, Knapska &

Kaczmarek (2004).). Tästä syystä on järkevää kohdistaa tarkastelu geeneihin, joiden

toiminnallisia mekanismeja tunnetaan hieman tarkemmin (c-fos, FosB, c-jun, AP-1,

Synaptotagmiini (IV, V, 7 ja 13), Arc, α-aktiini, dyneiini).

9

α-aktiini ja dyneiini muodostavat selkeimmän tapauksen synaptisten rakenteen

muutoksissa. Aktiini toimii solujen tukirangassa ja muuttuu dynaamisesti solun tarpeiden

mukaan ja CREB:in tuottama α-aktiini on siten suorassa yhteydessä tähän prosessiin.

Edellisessä kappaleessa mainittu dyneiini toimii reseptoriliikenteen kuljettajana, jolloin

CREB:in tuottama dyneiini on suorassa yhteydessä reseptoriliikenteeseen.

c-fos ja c-jun ovat ns. välittömästi ilmennettäviä geenejä (immediate early genes, IEG),

joita tuotetaan CREB-välitteisesti välittömästi hermoärsykkeen yhteydessä. Niiden

geenituotteet muodostavat heterodimeerisen rakenteen yhdessä AP-1 (activator protein 1)

kanssa, joka johtaa solun myöhäiseen geeniluentaan (Sheng & Greenberg 1990,

Minatohara et al. 2015). c-fos ja muut FOS perheen geenituotteet (FosB) kykenevät

liittymään monien geenien tehostaja-alueille. Erityisesti plastisuuteen liittyviä FOS perheen

geenikohteita ovat erilaiset proteiinit, jotka säätelevät synapsien tukirankaa,

tuojahaarakkeiden kehitystä ja AMPA reseptorien kertymistä postsynaptiseen päätteeseen

(Malik et al. 2014).

AP-1 on hyvin yleisesti ilmennettävä solun aktiivisuuteen kytketty geenituote ja se säätelee

mm. solukuolemaa ja/tai jakautumista ja sen on osoitettu säätelevän synapsien määrää ja

toimintatehoa Drosophila melanogaster -lajissa (Sanyal et al. 2002, Shaulian & Karin

2002). Presynaptisessa hermosolussa AP-1 voi yhdistyä σ1B-adaptiiniin ja yhdessä ne

säätelevät synapsin hermovälittäjäainerakkuloiden kierrätystä, joka luonnollisesti vaikuttaa

siihen kuinka tehokkaasti kyseinen synapsi voi toimia. Glyvuk et al. (2010) osoittivat, että

ilman tätä molekulaarista kompleksia hiirien pitkäaikainen tilamuisti heikkeni.

Presynaptisessa päätteessä synaptotagmiini proteiinit ovat myös tärkeitä rakkulaliikenteen

kannalta. Ne toimivat solunsisäisen kalsiumin tunnistajina ja täten

hermovälittäjäainerakkuloiden eksosytoosissa hermoärsykkeen yhteydessä. Erityisesti

synaptotagmiini IV tuoton estäminen on osoitettu vaikuttavan pelkomuistin ja motoristen

kykyjen heikkenemiseen hiirillä (Ferguson et al. 2000).

Arc (activity-regulated cytoskeleton-associated protein) on toiminnaltaan yksi tunnetuimpia

neuroplastisuuden säätelijöitä. Nimensä mukaisesti se kykenee sitoutumaan hermosolun

tukirankaan ja säätelemään sen ominaisuuksia, joka lopulta johtaa synapsien

rakenteellisten ominaisuuksien muutoksiin. Sen lisäksi, että Arc geeniä ilmennetään

somassa, sen mRNA- ja proteiinituote usein kuljetetaan myös dendriitteihin, jolloin se voi

välittömästi reagoida synaptisen viestinnän yhteydessä (Minatohara et al. 2015). Arc on

10

osoitettu säätelevän, sekä AMPA reseptorien endosytoosia, että dendriittien morfologiaa

suurentamalla ohuiden dendriittien määrää ja tiheyttä (Peebles et al. 2010). Ohuet

dendriitit ovat aktiivisempia ja helpommin muokattavissa, jolloin ne soveltuvat uuden

ärsykkeen oppimiseen ja AMPA reseptorien vähentäminen postsynaptiselta membraanilta

puolestaan estää hermosolun ylireagoimista ärsykkeeseen. Täten Arc:in rooli plastisuuden

säätelyssä on kaksiosainen, toisaalta oppimisen pohjustaminen ja toisaalta hermosolun

homeostasian säilyttäminen. Tästä johtuen sen ilmeneminen on huomattu, sekä PKP:n,

että PKD:n yhteydessä. Lisäksi Arc on yhteydessä MAP2 proteiiniin (microtubule-

associated protein 2), joka vakauttaa dendriittien mikrotubulus verkostoa. Fujimoto et al.

(2004) teorisoivat, että Arc mahdollisesti vaikuttaa solun tukirangan muutoksiin kyseisen

proteiinin ja/tai aktiinin säätelyn kautta.

CREB:in toiminta muistin synnyssä liittyy monien geenien aktivaatioon ja näiden

geenituotteiden aiheuttamiin muutoksiin hermosolujen rakenteessa ja toiminnassa. Monet

CREB:in geenituotteista ovat transkriptiofaktoreita itsessään, jolloin muistin synty voidaan

”nähdä” vaiheittain etenevinä transkriptioaaltoina voimakkaan hermoärsykkeen jälkeen.

Miten nämä hetkelliset transkriptiotuotteet kykenevät ylläpitämään muistoja, jotka saattavat

säilyä jopa vuosia? On syytä muistaa, että elämä on dynaamista ja kuluttaa jatkuvasti

molekyyleja metabolisten prosessien aikana. Tästä syystä solujen tulee ilmentää joitakin

geenejä lähes jatkuvasti, täydentääkseen tärkeiden proteiinien ja RNA-molekyylien

varastoja.

Muistiin liittyvä geenitranskriptio ei ole poikkeus tästä prosessista. Kaikki edellä mainituista

CREB:in säätelemistä geeneistä ilmennetään, sekä muistin syntyhetkellä, että kun jo

tallennettua muistoa muistetaan uudelleen (Minatohara et al. 2015). Muisti siten näyttäisi

tallentuvan hermosolujen rakenteellisten muutosten lisäksi juurikin näihin hetkellisiin

transkriptioaaltoihin, joita toistetaan jatkuvasti muistettaessa jotakin asiaa, tapahtumaa tai

toimintoa. Tämä jatkuva geeniluenta kykenee myös ylläpitämään hermosoluissa ja

synapseissa tapahtuvia rakenteellisia muutoksia, joka mahdollistaa näiden muutosten

pitkäaikaisen säilymisen.

11

3.1 Synaptinen merkintä ja nappaus -hypoteesi: Kuinka hermosolu valitaan

muistin säilyttämiseen hermoverkossa?

Jos kaikki hermosolut kykenevät ilmentämään CREB:iä ja sen aktivoimia geenituotteita,

niin kuinka aivojen hermoverkot kykenevät valitsemaan mihin hermoyhteyksiin mitkäkin

muistot tallennetaan? Uusimpana hypoteesina tähän on esitetty niin sanottua synaptista

merkintää ja nappausta (synaptic tagging and capture), jossa nimensä mukaisesti

valikoidut synaptiset yhteydet hermoverkoissa ”merkitään” molekulaarisesti muistin

säilyttämistä varten.

Uuden ärsykkeen yhteydessä hermoverkossa herkimmin reagoivat neuronit stimuloituvat

voimakkaimmin, jolloin ne ilmentävät plastisuuteen vaikuttavia geenejä suuremmalla

todennäköisyydellä. Neuronien herkkyys on puolestaan riippuvainen niiden

käyttöhistoriasta, eli miten kukin neuroni on reagoinut aiempiin ärsykkeisiin ja tulee

reagoimaan tuleviin ärsykkeisiin (Rogerson et al. 2014). Tähän käyttöhistoriaan

luonnollisesti kytkeytyy se miten ja kuinka paljon CREB:iä ja sen geenituotteita on

ilmennetty kullakin ajan hetkellä, sillä ensikädessä nämä määräävät sen millaiset

ominaisuudet kullakin neuronilla on jokaisella ajan hetkellä (Rogerson et al. 2014).

Synaptinen merkintä ja nappaus -hypoteesissa ärsykkeen jälkeinen synapsin muokattu

molekulaarinen rakenne niin sanotusti ”merkitsee” synapsin PKP:ta varten, eli muistin

säilyttämisen. Jos tätä synapsia ärsytetään uudestaan se johtaa plastisuuteen liittyvien

proteiinien (PLP) tuottoon, jotka kuljetetaan hermosolun somasta ”merkattuun” synapsiin.

Nämä proteiinit puolestaan reagoivat sen hetkisen synapsin molekulaarisen arkkitehtuurin

kanssa, vakauttaen synapsin rakennetta ja täten pohjustavat muistin säilyttämistä. Jos

kyseisiä proteiineja ei saavu ”merkattuun” synapsiin (eli synapsia ei ärsytetty uudestaan),

synapsin rakenne palaa takaisin siihen millainen se oli ennen ärsykettä ja muistia ei synny.

(Redondo & Morris 2011).

Hermosolut usein myös ”jakavat” PLP:t omien dendriittiensä kesken, jolloin monella

dendriitillä saattaa olla valmius synaptisten yhteyksiensä vahvistamiseksi. Täten jos yhden

dendriitin synaptista yhteyttä ärsytetään useaan otteeseen ja tästä seuraa kyseisen

yhteyden merkkaaminen ja vahvistaminen, hermosolussa sijaitsevan viereisen dendriittin

synaptiset yhteydet voidaan liittää muistin tallentamiseen, jos näitä synaptisia yhteyksiä

12

stimuloidaan tämän tapahtuman jälkeen (Rogerson et al 2014). Useampi muistitapahtuma

voidaan tallentaa samoihin hermoyhteyksiin assosiatiivisesti. Lisäksi yksittäisessä

dendriitissä lähekkäin sijaitsevat synaptiset yhteydet merkataan potentiaatioon

suuremmalla todennäköisyydellä, jos joitakin näistä yhteyksistä ärsytetään voimakkaasti.

Synapsien merkinnän hoitaa niiden paikallinen geeniluenta, joka muokkaa synapsien

rakennetta ärsykkeen jälkeen (Govindarajan et al. 2006). Ärsykkeestä kauempana

sijaitsevat yhteydet puolestaan leimataan kohti PKD:ta, jolloin nämä yhteydet heikkenevät

ja eivät osallistu muistin säilyttämiseen. Kyseinen prosessi johtaa siihen, että muistia

tallentavat synaptiset yhteydet muodostavat keskenään ryppäitä (Govindarajan et al.

2006). On siten helppoa ymmärtää, että läheisesti opitut tapahtumat muodostavat

keskenään muistiryppäitä solutasolla.

PLP:t ovat suureksi osaksi vielä tuntemattomia, mutta muutamia ehdokkaita on esitetty

kokeellisen tiedon pohjalta. Näitä ovat muun muassa jo aiemmin mainitut CaMKII ja Arc,

joista molemmat kykenevät paikallisesti muokkaamaan synapsin rakennetta solun

tukirankaa muuntaen ja säätelemällä AMPA reseptorien määrää synapsin solukalvolla.

Ärsykkeen saapuessa synapsiin, CaMKII laajentaa synapsin rakennetta ja luo täten lisää

mahdollisia paikkoja AMPA reseptoreille. Jos synapsia ärsytetään uudestaan, liitetään

uusia AMPA reseptoreita synapsin solukalvolle, jolloin synapsin aktiivisuus kasvaa ja

muistin säilyttäminen mahdollistuu (Redondo & Morris 2011). Arc ja inaktiivinen CaMKIIβ

puolestaan muodostavat niin sanotun käänteisen synaptisen merkin, jossa ne kulkeutuvat

vähäaktiivisiin synapseihin, ylläpitäen niiden hiljaista tilaa. Tämä mahdollistaa tarkan

säätelyn sille, että muistin säilyttämiseen ”kuulumattomat” synapsit pysyvät

vähäaktiivisessa tilassa (ilmentävät PKD:ta) ja muistiin käytettävät (PKP:tä ilmentävät)

synapsit pysyvät aktiivisena (Nonaka et al. 2014).

3.2 Muistin rakentumisen yhteenveto ja laajempi käsitys: Jatkuva ja

monimutkainen prosessi

Muistin rakentuminen solutasolla on dynaamisesti muuttuva biokemiallinen ja

solufysiologinen prosessi, jossa hermosolujen välisten synaptisten yhteyksien

rakenteellisia ja toiminnallisia (sähköfysiologisia) ominaisuuksia muokataan

13

pitkäkestoisesti. Ärsykkeestä riippuen synapsit alkavat ilmentää joko pitkänkestoista

potentiaatiota, jossa synapsin koko on suurennettu ja sen aktiivisuustaso vahvistuu, tai

pitkäkestoista depressiota, jossa päinvastoin synaptisten terminaalien koko pienenee ja

aktiivisuustaso heikkenee. Näiden ominaisuuksien muokkaus tapahtuu monimutkaisen

biokemiallisen verkoston toimintojen avulla, jossa monia toistensa kanssa keskustelevia

signalointireittejä aktivoidaan kun presynaptisesta päätteestä vapautettu glutamaatti aktivoi

postsynaptisella solukalvolla olevia reseptoreja. Nämä reseptorit toimivat joko

ionikanavina, aiheuttaen kalsiumvuon postsynaptisessa päätteessä, tai ne ovat G-

proteiinisidonnaisia ja vaikuttavat epäsuorasti solun sisäisiin signalointitapahtumiin.

Signaloinnin tuloksena transkriptiofaktori CREB fosforyloidaan, jolloin se kykenee

sitoutumaan geeneihin, jotka sisältävät CRE-elementin promoottorialueillaan. Tällöin

käynnistyy satojen tai jopa tuhansien geenien luenta, joiden proteiini ja RNA tuotteet

aiheuttavat uusia transkriptioaaltoja ja muokkaavat synapsien rakenteita muuntamalla

niiden solutukirankaa ja solukalvon reseptorien tyyppejä sekä määrää. Kyseiset

transkriptiotuotteet ilmennetään muistin ”syntyhetkellä” ja kun samaa, jo tallennettua

muistia, muistetaan uudelleen. Tämä takaa vahvistettujen synaptisten yhteyksien jatkuvan

ylläpidon alati toimivissa ja muuttuvissa hermoverkoissa.

Korkeammalla tasolla muistia säädellään synaptisella merkinnällä, jossa ärsykkeen

jälkeen muokattu synaptinen rakenne merkitsee kyseisen synapsin käymään läpi

pitkäkestoisen potentiaation. Jos kyseistä synapsia ärsytetään uudestaan, nämä

rakenteelliset muutokset vakautetaan ja tällöin se viestii voimakkaasti kun sama ärsyke

myöhemmin kohdataan uudestaan. Tämä on ensikädessä muistamista, kun aiemmin

kohdattu ärsyke muuntaa hermoverkossa joidenkin hermosolujen synaptisten yhteyksien

vahvuutta ja nämä vahvistetut yhteydet viestivät uudestaan kun kyseinen synapseja

muokannut ärsyke kohdataan myöhemmin.

Jos lähdetään tarkastelemaan yhden hermosolun H tilaa ajan hetkellä t ja kuinka tämän

hermosolun synaptisten yhteyksien ominaisuudet määräytyvät ärsykkeen X yhteydessä,

voidaan pian huomata, että muistin rakentumiseen liittyvät prosessit toimivat laajemmalla

aikavälillä ja suuremmassa kontekstissa kun voitaisiin olettaa. Oletetaan myös, että

hermosolu on yhteydessä sataan muuhun hermosoluun synapsien välityksellä.

Synaptisesta merkinnästä opittiin, että hermosolun ja sen synaptisten yhteyksien

käyttöhistoria määrää hermosolun sähköfysiologiset ominaisuudet, geeniluentatilan ja

metabolisen tilan ajan hetkellä t. Nämä ominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka tehokkaasti

14

hermosolun synaptiset yhteydet kykenevät reagoimaan ärsykkeeseen X ja kuinka

kyseisellä hermosolulla on metabolista varaa käynnistää geeniluenta pohjustaakseen

synaptisten rakenteiden muutoksia ärsykkeiden yhteydessä, ajan hetkellä t. Hermosolun

synapsien käyttöhistoria vaikuttaa siis siihen, mitkä synapsit kykenevät pohjustamaan

muistin tallentamista. Esimerkiksi jos hermosolussa H synapsi s1 on ennen ärsykettä X ja

ajan hetkeä t kohdannut ärsykkeen Y, se merkataan kyseisen ärsykkeen tallentamiseksi ja

sen rakennetta muokataan tämän mukaisesti. Tähän puolestaan käytetään hermosolun

metabolista energiaa ja aktivoitua geeniluentaa. Jos ärsyke X saapuu pian tämän jälkeen,

on todennäköisempää, että jo muokattu synapsi s1 käytetään kyseisen ärsykkeen

käsittelyyn ja tallentamiseen, sillä se on jo muokattu aktiivisempaan tilaan ärsykkeen Y

yhteydessä.

Jos liikumme loogisessa jatkumossa taaksepäin, käsitteillä olevan hermosolun H ja sen

synapsien tila ovat riippuvaisia siitä miten niihin yhteydessä olevat sadat muut hermosolut

ovat viestineet tämän hermosolun kanssa synaptisten yhteyksien välityksellä ennen kuin

nämä sadat muut hermosolut mahdollisesti itse kohtaavat ärsykkeen X. Jos liikumme

edelleen taaksepäin, näiden satojen hermosolujen tilat ovat riippuvaisia niiden omista

käyttöhistorioista ja kuinka ne ovat ennen saapuvaa ärsykettä X keskustelleet omien

satojen tai tuhansien synaptisten yhteyksiensä kanssa. Jos tätä ajatusketjua jatkettaisiin,

kävisi hermosolujen loputon synaptinen keskustelu pian mahdottomaksi käsittää.

Kaikki tämä kuitenkin valaisee sen, että muistin tallentaminen eri hermosolujen synaptisiin

yhteyksiin hermoverkossa on kontekstiriippuvaista. Se miten eri hermoverkkoja, sen

sisältäviä hermosoluja ja niiden synaptisia yhteyksiä on käytetty ja muokattu ennen jonkin

uuden ärsykkeen kohtaamista, määrää sen minne muisto kustakin ärsykkeestä

tallennetaan ja miten kyseinen ärsyke muistetaan tai unohdetaan. Kun siis ärsyke X

vihdoin kohdataan ja viesti siitä välittyy johonkin hermoverkkoon, se käsitellään kyseisen

hermoverkon aikaisempien muistikontekstien (käyttöhistorian) perusteella ja täten

integroidaan tämän hermoverkon valikoitujen hermosolujen valikoituihin synapseihin. Kun

ärsyke X näin integroidaan, on syytä huomata, että tällöin se itse liittyy kyseisten

hermosolujen ja synapsien käyttöhistoriaan, jolloin koko hermoverkon muistikonteksti

muuttuu jälleen ja asettaa uuden kontekstin, jossa seuraavat ärsykkeet käsitellään.

Jos siirrämme tarkastelun koko prosessista laajemmalle skaalalle, voidaan muistettavat

ärsykkeet ymmärtää jonkinlaisina informaatio-olioina, jotka kilpailevat hermoverkkojen

kontekstuaalisessa informaatioympäristössä paikasta tulla muistetuksi. Joka kerta kun

15

elämän aikana opitaan ja koetaan jotain uutta, muistetaan ja unohdetaan, hermoverkkojen

toiminnallinen konteksti muuttuu. Kulkiessa loogista jatkumoa jälleen taaksepäin, voidaan

huomata, että tämä hermoverkkojen dynaamisesti muuttuva toimintakonteksti, jossa

muistot muovautuvat, syntyy jo varhaisimmissa elämän vaiheissa kun hermoverkot alkavat

rakentua. Ensimmäiset elämän kokemukset, jotka käsitellään näissä varhaisissa

hermoverkoissa, asettavat ensimmäisen kontekstin, jossa tulevia kokemuksia käsitellään,

ja tämä konteksti muokkaa yksilön käsitystä ja muistoja ympäristön tapahtumista. Se miten

kukin yksilö muistaa asioita ja käsittelee ympäristöään, kytkeytyy siis elämän varhaisimpiin

kokemuksiin ja näiden kokemusten muovaamiin hermoverkkoihin. Muisti voidaan lopulta

käsittää paljon suurempana jatkumona, kuin vain yksittäisinä irrallisina oppimisen hetkinä,

jossa tärkeää on kunkin yksilön aivojen koko käyttöhistoria elämän aikana.

4. CREB in vivo ja tutkimusongelmat

Ymmärrettyä CREB:in toiminta solutasolla, on hyvä tarkastella miten sen muistiin

vaikuttavat ominaisuudet esiintyvät elävässä eliössä muutaman historiallisen esimerkin

kautta.

CREB:in tutkiminen ”muistin molekyylinä” alkoi 90-luvulla ja sitä on tutkittu monessa eri

malliorganismissa. Selvin lähtökohta oli mallintaa Aplysia merietanan kidus ja siivilä

hermoradan suojelurefleksiä, jossa voidaan ilmentää yksinkertaista muistia. Ärsyttämällä

näitä hermoja jatkuvasti, merietanan suojarefleksi herkistyy ja tämä herkistyminen voi

kestää tunteja tai päiviä (Silva et al. 1998). Aplysia ikään kuin ”muistaa” pitää refleksin

herkistettynä pidemmän aikaa, uusien vaarallisten ärsykkeiden varalta. Dash et al. (1990)

huomasivat, että CRE-elementin mikroinjesointi kyseisen hermoradan neuroneihin esti

merietanaa ilmentämästä tätä herkistettyä refleksiä pitkäaikaisesti. Injektiolla annettu CRE-

elementti sitoi vapaana olevaa CREB:iä ja täten ärsykkeen yhteydessä se ei kyennyt

aloittamaan tarvittavaa geeniluentaa muistin säilyttämiseksi. Pian tämän jälkeen Dash et

al. (1991) selvittivät CREB:iin liittyviä molekyylitason tapahtumia ja löysivät sitä aktivoivat

CaMKII ja PKA.

Drosophila melanogaster voidaan opettaa välttämään hajuja yhdistämällä sähköshokki

hajuärsykkeen yhteydessä (Tully et al. 1994). Drosophila oppii, että kyseinen haju on

vaarallinen ja muistaa vältellä tätä hajuärsykettä monta päivää. Tämä pitkäkestoinen

16

oppiminen vaatii geeniluentaa ja Yin & Tully. (1996) osoittivat, että pitkäkestoisen

hajumuistin syntyä voitiin tehostaa Drosophila melanogaster -lajissa indusoimalla CREB:in

aktiivista dCREB2-a isomuotoa. dCREB2-b isomuoto puolestaan esti pitkäkestoisen

hajumuistin synnyn kokonaan, sillä se toimii CREB välitteisen geeniluennan estäjänä.

Suuri osa CREB:in muistiin vaikuttavista ominaisuuksista on testattu hiirien aivojen

hippokampus ja amygdala alueilla. Monet tämänkin tutkielman artikkeleista ovat

keskittyneet näille alueelle. Hiiret voidaan opettaa muistamaan monenlaisia eri tehtäviä ja

assosiaatioita ja valtaosa CREB-tutkimuksista keskittyvät testaamaan hiirissä Pavlovilaista

pelko-, tila- tai hajumuistia.

Pavlovilaisessa pelkomuistissa hiiri opetetaan yhdistämään jokin ärsyke (ääni, valon

välähdys) sähköshokkiin. Kun ärsyke esitetään hiirelle uudestaan harjoittelun jälkeen, se

vaipuu pelkotilaan ja kykenee muistamaan tämän ärsykkeen ”vaarallisuuden” monia päivä

harjoittelun jälkeen (Silva et al. 1998). Jos CREB:in toiminta estetään hiirillä ennen

harjoittelua, nämä hiiret muistavat pelätä ärsykettä välittömästi harjoittelun jälkeen, mutta

unohtavat sen 24 tuntia myöhemmin (Bourtchuladze et al. 1994, Kogan et al. 1997).

CREB-mutantti hiirien pitkäkestoinen tunnemuisti siis vaurioituu, mutta lyhytkestoinen

muisti säilyy ennallaan. Harjoittelua lisäämällä mutanttien pitkäkestoista muistia pystyttiin

kuitenkin parantamaan marginaalisesti (Kogan et al. 1997).

Hiirien pitkäkestoista tilamuistia voidaan testata Morrisin vesilabyrintissä, jossa hiiret

opetetaan etsimään veteen upotettu alusta ja se vaatii erityisesti hippokampusvälitteistä

muistamista. Harjoittelu kestää usein monia päiviä ennen kuin hiiret oppivat muistamaan

missä veteen upotettu alusta sijaitsee. Jälleen CREB-mutantti hiiret eivät kykene

muistamaan upotetun alustan sijaintia ja lisäksi niillä on vaikeuksia jo itse

oppimistilanteessa paikallistaa alustaa (Bourtchuladze et al. 1994).

Hiiret ilmentävät pitkäkestoista ravintoon liittyvää hajumuistia, haistamalla mitä toinen hiiri

on syönyt. Tapahtuman jälkeen ravinnon haistanut hiiri suosii samaa ruokaa monta

päivää, eli se ikään kuin oppii oman lempiruokansa haistamalla toisen hiiren hengitystä ja

muistaa tämän lempiruoan muutamia päiviä (Silva et al. 1998). Kogan et al. (1997)

huomasivat, että CREB-mutantti hiiret suosivat haistamaansa ruokaa tunnin harjoittelun

jälkeen, mutta eivät ilmentäneet suosiota haistettuun ruokaan 24 tuntia myöhemmin. Sen

sijaan kontrollihiiret osoittivat suosiota haistettuun ruokaan vielä 24 tunnin jälkeen.

17

On tärkeää huomata, että kaikki nämä hiiriin kohdistetut muistikokeet testaavat erilaisia

muistin muotoja ja jokaisessa kokeessa CREB:in välitön vaikutus pitkäkestoisen erilaisten

muistien synnyssä on huomattavissa. CREB näyttäisi olevan myös evolutiivisesti

konservoitunut mekanismi pitkäkestoisen muistin synnylle, aina hyönteisistä nisäkkäisiin

asti.

CREB:in tutkimuksessa kuitenkin ilmenee ongelmia, sekä historiallisesti, että

nykytutkimuksen kannalta. Monesti näissä tutkimuksissa CREB:in toiminnot indusoidaan

hyvin rajallisesti ja tarkasti solutasolla tai tehtäessä eläinkokeita muistiin liittyen, usein

tarkastellaan vain yhtä tarkoin ilmennettyä muistia. Eliön kokemus sen ympäristöstä on

harvoin kuitenkaan näin rajallista ja kyseiset tutkimukset eivät valaise miten solu tai eliö

valikoi monimutkaisesta informaatiotäyteisestä ympäristöstä kohteita muistettavaksi.

Tietenkin aiemmin mainittu synaptinen merkintä pyrkii valaisemaan tätä asiaa, mutta

tässäkin tapauksessa kokeellinen asettelu on vielä turhan rajallista. Hermoverkkojen

monimutkainen signalointi muistin kohdistamisessa jää usein täysin pimentoon.

Käytetyt eläinmallit eivät myöskään valaise miten muisti ihmisessä toimii. Se, että

eläimissä voidaan ilmentää valikoitua yksinkertaista muistia yhdestä ärsykkeestä, ei

vastaa ihmismielen tai mahdollisesti muiden eläinten monimutkaista muistiarkkitehtuuria,

jossa on mahdollista muistaa kokonaisia tilanteita ja tapahtumia monia vuosia. Tämä

viittaisi monien ärsykkeiden muistamiseen ja integrointiin hermoverkoissa.

Muistin kokeellinen testaaminen ikään kuin irrotetaan muistin muodostumisen

suuremmasta kontekstista ja siinä pyritään tarkastelemaan vain väkisin muodostettua

irrallista tapahtumaa. Tämä ilmenee monissa solutason tutkimuksissa, jossa vain

muutamaa neuronia väkisin ärsytetään korkeataajuisilla ärsykkeillä, jonka jälkeen

vedetään jonkinlaisia johtopäätöksiä muistin synnystä. Tämä on tietenkin omalla tavallaan

valaisevaa, mutta harvemmin neuronit hermoverkossa saavat jatkuvaa korkeataajuista

impulssijunaa tuntien ajan. Hermoverkkojen aktiivisuustaso vaihtelee dynaamisesti ja täten

myös synapseihin iskeytyvien ärsykkeiden taajuus vaihtelee jatkuvasti. Tämä jatkuva

ärsykkeiden voimakkuuden vaihtelu muodostaa synapsien toiminnallisen kontekstin, joka

puolestaan vaikuttaa siihen miten ja missä muisti muodostuu, kuten edellisessä

kappaleessa kävi ilmi. Muistiin liittyvä solutason tutkimus pitäisi siis muuttaa lähemmäs

todellisuutta, jotta voitaisiin ymmärtää kuinka asiat oikeasti tapahtuvat.

18

5. Mikrotubulukset ja aika-avaruuden fraktaalimieli: Onko neurobiologia

tarpeeksi muistin ymmärtämiseksi?

Muistin syntymisessä on pohjimmiltaan kyse informaation tallentamisesta. Jos edellä

selitettyjä muistin synnyn solufysiologisia tapahtumia tulkitaan kirjaimellisesti, muisti

tallentuu synaptisten yhteyksien rakenteellisiin muutoksiin ja monimutkaiseen

molekulaariseen arkkitehtuurin. Tärkeää tässä prosessissa on synapsien solutukirangan

muutokset, joka mahdollistaa synapsien dynaamisen muokkaamisen informaation

tulviessa niiden sisään ionien välityksellä. Tutkielmani lopuksi teen lyhyen katsauksen

neuronien solutukirangan mikrotubulusverkostoon ja kuinka biofyysikot ovat esittäneet

teorioita, että informaation syvin tallennustaso liittyy tämän verkoston biofyysisiin

ominaisuuksiin. Tarkoitus on antaa käsitys siitä, että kognitiivisten prosessien

ymmärtämiseksi, neurobiologian lisäksi tarvitaan myös syvä biofyysinen käsitys aivojen

toiminnoista. Aivojen toiminnot ovat pohjimmiltaan paljon ihmeellisemmät kuin voitaisiin

olettaa.

Cronly-Dillon et al. (1974) esittivät jo yli 40 vuotta sitten mikrotubulusten tärkeyden muistin

tallentamisessa. He keskittyivät niiden ominaisuuksiin muokata synapsien rakennetta ja

kuljettaa moottoriproteiinien avulla uutta materiaalia muistin rakentamiseksi synapseissa.

Kysymys, joka kuitenkin jää vastaamatta on se, miten mikrotubulukset koodaavat

informaatiota? Hameroff & Watt (1982) pyrkivät vastaamaan tähän kysymykseen

esittämällä, että mikrotubulusten rakenneproteiini tubuliinin muodostamat toistuvat,

matriisimaiset hilarakenteet kykenisivät toteuttamaan Boolen logiikka -operaatioita.

Synapsissa vaihtuva kalsiumionikonsentraatio kykenee tuottamaan muutoksia tubuliinin

sivuketjujen konformaatiossa ja energiatilassa, ja nämä konformaation tai energiatilan

muutokset puolestaan koodaisivat yksinkertaisia ”päällä-pois päältä” (0 tai 1) logiikka -

operaatioita. MAP (microtubule associated protein) proteiineilla mikrotubulukset

yhdistetään soluissa monimutkaiseksi verkostoksi ja aktiopotentiaalien yhteydessä, nämä

energeettisesti muokkaantuvat ja väreilevät mikrotubulukset muodostavat dynaamisen

sähkömagneettisen kentän. Solussa vallitseva sähkömagneettinen kenttä puolestaan voisi

välittää kvanttitason informaatiota ympäri solua ja täten integroida muistettettavien

ärsykkeiden informaation synapsien molekulaariseen arkkitehtuuriin (Hameroff & Watt

1982).

19

Siirryttäessä 2000-luvulle mikrotubulusten biofyysinen ymmärrys syvenee. Synapseissa

vaihtuvien kalsiumkonsentraatioiden yhteydessä toimii jo aiemmin tuttu CaMKII, joka

kykenee suoraan muokkaamaan tubuliinin konformationaalista tilaa. Craddock et al.

(2012) osoittivat, että CaMKII, joka koostuu kahdesta kuusikulmaisesta rakenteesta, on

lähes täysin samanlainen kuin tubuliinien muodostaman kuusikulmaiset hilarakenteet.

CaMKII 12 kinaasialuetta (6 yhdellä puolella) kykenee tällöin liittymään maksimissaan

liittymään kuuteen tubuliiniyksikköön, muokaten niiden fosforylaatiotilaa. Tästä seuraa, että

yksi CaMKII puolisko voi maksimissaan koodata 6-bittiä tietoa. Simuloimalla erilaisia

tubuliinien muodostamia hilarakenteita, Craddock et al. (2012) laskivat, että yksi CaMKII

kykenee koodaamaan 64 – 5281 erilaista tubuliinien fosforylaatiotilaa (bittiä) tubuliinien

välillä. Lisäksi koko prosessi vaatisi vain noin 2% aivojen energiankulutuksesta ja ottaen

huomioon, että aivot sisältävät noin 1019 tubuliinia, hermosolujen mikrotubulusverkot

kykenisivät suunnattomaan informaation käsittelyyn ja tallentamiseen.

Mikrotubulusten ominaisuuksia voidaan tarkastella vieläkin tarkemmin biokemiallisesta

näkökulmasta. Niiden pinnalla vallitsee negatiivinen varaus, joka yhdistyy sytosolin

positiivisten ionien kanssa, muodostaen positiivisen ionipilven. Tämä ionipilvi kykenee

reagoimaan hermosolun sähköisiin muutoksiin ja täten välittämään informaatiota

sähköisesti pitkin putkimaista rakennettaan, aivan kuten aksoni kuljettaa aktiopotentiaaleja

(Priel et al. 2005, Craddock et al 2016). Mikrotubulusten ulkopinnasta voidaan siirtyä

tarkastelemaan tubuliinien hydrofobisia sisäosia ja sieltä löytyviä aromaattisia

hiiliyhdisteitä. Craddock et al. (2016) esittävät, että tubuliineista löytyvät 8 tarkasti

järjestäytynyttä kiekkomaista tryptofaania muodostavat π-orbitaali resonassipinoja,

tubuliiniyksiköiden yhdistyessä. Hydrofobisten ydinten turvissa, nämä π-orbitaalit

yhdistyvät van Der Waalin voimilla, ja sähkökentän muutokset neuronin sisällä kykenevät

reagoimaan näiden yhdistyneiden elektroni orbitaalien kanssa. Tällöin kvanttitason

informaatiota voi välittyä fotonien emission muodossa ja aromaattisten hiiliyhdisteiden

bentseenirakenne toimii kromoforina, joka kykenee absorboimaan näitä fotoneja.

(Craddock et al. 2016). Täten informaatiota fotonien muodossa välitetään ja tallennetaan

tubuliinien aromaattisissa hiiliyhdisteissä. Jos tämä kuulostaa oudolta, on syytä muistaa,

että fotoni ei ole muuta kuin energiakvantti, joka emittoidaan kun jonkinlailaisen

energeettisen ärsykkeen korkeammalle energiatasolle virittämä elektroni laskeutuu

takaisin alemmalle energiatasolle. On mielenkiintoista huomata, että tämän kaltaisia

biofotoneja välittyy muissakin biologisissa proseissa, erityisesti oksidatiivisessa

20

energiametaboliassa (Kobayashi et al. 1999, Van Wijk 2001, Cohen & Popp 2003). Lisäksi

itse DNA:n emäkset ja muut aromaattisia aminohappoja sisältävät proteiinit muodostavat

π-orbitaali resonanssipinoja hydrofobisiin sisärakenteisiinsa, jotka voivat reagoida

biofotoneihin. Solutason informaation välityksessä ja tallennuksessa saattaa siis vallita

monimutkainen kvanttimekaaninen verkosto, jossa informaatiota pohjimmillaan

integroidaan ja käsitellään heikkojen biofotonien muodossa ja tämä prosessi

korkeammalla tasolla johtaa havainnoituihin synaptisiin muokkauksiin ja geenien säätelyyn

(Craddock et al. 2016).

Tätä prosessia voidaan johtaa entistäkin syvemmälle, jos tarkastellaan elektronien

ominaisuuksia. Hu & Wu (2003, 2017) tekevät katsauksen universumin syvimmälle tasolle,

jolloin jäljelle jää enää elektronien ja muiden partikkelien niin sanottu sisäinen ”spin”. Tämä

spin vastaa aika-avaruudessa mikroskooppisia aika-avaruuden geometriatiloja ja ne voivat

yhdistyä toisiinsa lomittumisen myötä. Se on siis universumin pohjimmainen taso ja

partikkelien spin tilat (eli aika-avaruuden geometriatilat) voidaan mieltää

yksinkertaisimmiksi informaation kvanttibiteiksi (kubit), jotka ovat yhteydessä toisiinsa (Hu

& Wu 2003, 2017). Jos aivot, neuronit ja synapsit ovat molekulaarisia rakenteita johon

informaatio tallentuu ja jokainen molekyyli sisältää monia elektroneja joiden avulla ne

välittävät tietoa keskenään kvanttimekaanisesti (kuten edellisessä paragrafissa

huomattiin), neuronien molekulaarisen tiedonkäsittelyn syvin taso pohjautuu koko

universumin mikroskooppiseen aika-avaruuden geometriaan ja sen muokkaamiseen.

Aivojen kognitiiviset prosessit täten paisuvat paljon laajemmalle tasolle, jossa muisti ja

tietoisuus ovat osa kaikkeuden syvintä rakennetta. Itseasiassa, ne ovat tämä rakenne

itsessään.

Hameroff & Penrose (2014) luovat Orch OR (orkestroitu objektiivinen redusointi)

teoriallaan kokonaiskuvan koko tästä prosessista, mikroskooppisesta aika-

avaruusgeometrian taivuttelusta, mikrotubulusten informaatioprosessointiin ja lopulta

ihmismielen kognitioon. He ottavat huomioon jokaisen tubuliinin 32 aromaattista

hiiliyhdistettä (tryptofaani ja indoli, ei vain tryptofaania kuten aiemmin), jotka muodostavat

keskenään yhdistyviä π-orbitaaleja. Kyseiset orbitaalit muodostavat sähköisten dipolien

lisäksi magneettisia dipoleja, jotka ovat suoraan yhteydessä elektronien spin orientaatioon.

Täten tubuliinien aromaattisten yhdisteiden elektronien lomittuneet spin verkostot

muodostaisivat informaatioverkoston, jossa spinin orientaatioiden sekvenssi vastaa

kubittejä. Muutokset magneettisissa dipoleissa (esimerkiksi neuronien sähköisen

21

viestinnän yhteydessä), muokkaisivat spinien orientaatiota koko verkostossa, täten

käsitellen ja tallentaen tietoa dynaamisesti. Ärsykkeen iskeytyessä postsynaptisen

päätteen kautta dendriitin mikrotubulusverkostoon, tubuliinien aromaattisten yhdisteiden

muodostama spin verkosto integroi informaatiota lomittautumalla keskenään vaihtelevan

sähkökentän mukaisesti. Tämä lomittautuminen voi jakaantua jopa vierekkäisten

neuronien tubuliinien kesken aukkoliitosten kautta, jolloin informaation integraatiossa on

mahdollista käyttää enemmän kuin yhden neuronin mikrotubulusverkostoa (Hameroff &

Penrose 2014). Edellisestä paragrafista muistettakoon, että elektronin spin tila vastaa

mikroskooppista aika-avaruuden geometriatilaa (Hu & Wu 2003, 2017). Tällöin

lomittautumisen yhteydessä elektronien spinien muodostama hetkellinen Planck tason

aika-avaruusgeometrioiden superpositio ratkeaa yhdeksi absoluuttiseksi geometriatilaksi,

jolloin informaatio integroituu ja tallentuu mikrotubulusten spin verkostoon (Hameroff &

Penrose 2014).

Lopuksi mainittakoon, että informaatiota käsittelevät rakenteet ja toiminnot toistuvat

aivojen ja hermosolujen rakenteissa lähes fraktaalimaisesti. Tubuliinien spin tilat

muodostavat lomittautuneen informaatioverkoston, näistä muodostuvat mikrotubulukset

yhdistyvät toistensa kanssa MAP proteiinien avulla hermosolumaiseksi verkoksi

hermosolujen sisällä ja itse hermosolut muodostavat synaptisen verkoston. Yksi neuroni

sisältää noin 109 tubuliinia ja aivot sisältävät 1011 hermosolua. Aivojen

informaatioverkostojen muodostamat kuviot toistuvat siis monella skaalalla

samankaltaisesti ja lähes samoissa määrin. Kvanttitasolta johtuvat sähköiset signaalit aina

hermosolujen 40 hertsin synkronoituun huminaan johtuvat skaalasta riippumatta

”fraktaalimaisesti” 1/f voimalain ohella (He et al. 2010, Hameroff & Penrose 2014).

Fraktaalimaisia skaala-riippumattomia rakenteita esiintyy monissa elämän prosesseissa,

joka tehostaa sen hierarkista järjestäytymistä ja informaation prosessointia (Aon et al.

2004, Hameroff & Penrose 2014, Craddock et al. 2016).

Ehkä muistot ovat siis universumin hetkellinen aika-avaruudesta taivuteltu fraktaaliunelma,

joka lopulta unohtuu kaikkeuden termodynaamiseen taustakohinaan, entropian repiessä

solujen kvantti-informaatiota käsittelevät rakenteet kappaleiksi.

22

6. Kirjallisuusviittet

Aon, M. A., O'Rourke, B., & Cortassa, S. (2004). The fractal architecture of cytoplasmic

organization: Scaling, kinetics and emergence in metabolic networks. Molecular and Cellular

Biochemistry, 256(1-2), 169-184. doi:MCBI.0000009867.54552.09

Barco, A., & Marie, H. (2011). Genetic approaches to investigate the role of CREB in neuronal

plasticity and memory. Molecular Neurobiology, 44(3), 330-349. doi:10.1007/s12035-011-

8209-x

Bourtchuladze, R., Frenguelli, B., Blendy, J., Cioffi, D., Schutz, G., & Silva, A. J. (1994). Deficient

long-term memory in mice with a targeted mutation of the cAMP-responsive element-binding

protein. Cell, 79(1), 59-68. doi:10.1016/0092-8674(94)90400-6

Brini, M., Calì, T., Ottolini, D., & Carafoli, E. (2014). Neuronal calcium signaling: Function and

dysfunction. Cellular and Molecular Life Sciences, 71(15), 2787-2814. doi:10.1007/s00018-

013-1550-7

Cohen, S., & Popp, F. A. (2003). Biophoton emission of human body. Indian Journal of

Experimental Biology, 41(5), 440. Retrieved from

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15244265

Craddock, T. J. A., Tuszynski, J. A., & Hameroff, S. (2012). Cytoskeletal signaling: Is memory

encoded in microtubule lattices by CaMKII phosphorylation? Plos Computational Biology,

8(3), e1002421. doi:10.1371/journal.pcbi.1002421

Craddock, T. J., Hameroff, S. R., & Tuszynski, J. A. (2016). The “quantum underground”: Where

life and consciousness originate. Biophysics of Consciousness: A Foundational Approach, ,

459.

23

CRONLY-DILLON, J., CARDEN, D., & BIRKS, C. (1974). The possible involvement of brain

microtubules in memory fixation. Journal of Experimental Biology, 61(2), 443. Retrieved from

http://jeb.biologists.org/cgi/content/abstract/61/2/443

De Cesare D., Jacquot S., Hanauer A., & Sassone-Corsi P. (1998). Rsk-2 activity is necessary for

epidermal growth factor-induced phosphorylation of CREB protein and transcription of C-fos

gene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,

95(21), 12202-12207. doi:10.1073/pnas.95.21.12202

DASH, P. K., HOCHNER, B., & KANDEL, E. R. (1990). Injection of the camp-responsive element

into the nucleus of aplysia sensory neurons blocks long-term facilitation. Nature, 345(6277),

718-721. doi:10.1038/345718a0

DASH, P. K., KARL, K. A., COLICOS, M. A., PRYWES, R., & KANDEL, E. R. (1991). Camp

response element-binding protein is activated by Ca2+/calmodulin-dependent as well as camp-

dependent protein-kinase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United

States of America, 88(11), 5061-5065. doi:10.1073/pnas.88.11.5061

Davis, S., Vanhoutte, P., Pages, C., Caboche, J., & Laroche, S. (2000). The MAPK/ERK cascade

targets both Elk-1 and cAMP response element-binding protein to control long-term

potentiation-dependent gene expression in the dentate gyrus in vivo. Journal of Neuroscience,

20(12), 4563-4572.

Davis, S., Bozon, B., & Laroche, S. (2003). How necessary is the activation of the immediate early

gene zif268 in synaptic plasticity and learning?. Behavioural brain research, 142(1), 17-30.

Deisseroth, K., & Tsien, R. W. (2002). Dynamic multiphosphorylation passwords for activity-

dependent gene expression. Neuron, 34(2), 179-182.

24

Delghandi, M. P., Johannessen, M., & Moens, U. (2005). The cAMP signalling pathway activates

CREB through PKA, p38 and MSK1 in NIH 3T3 cells. Cellular Signalling, 17(11), 1343-1351.

doi:10.1016/j.cellsig.2005.02.003

Ferguson, G. D., Anagnostaras, S. G., Silva, A. J., & Herschman, H. R. (2000). Deficits in memory

and motor performance in synaptotagmin IV mutant mice. Proceedings of the National

Academy of Sciences of the United States of America, 97(10), 5598-5603.

doi:10.1073/pnas.100104597

Fujimoto, T., Tanaka, H., Kumamaru, E., Okamura, K., & Miki, N. (2004). Arc interacts with

microtubules/microtubule‐associated protein 2 and attenuates microtubule‐associated protein 2

immunoreactivity in the dendrites. Journal of Neuroscience Research, 76(1), 51-63.

doi:10.1002/jnr.20056

Glyvuk, N., Tsytsyura, Y., Geumann, C., D'Hooge, R., Hueve, J., Kratzke, M., . . . Schu, P. (2010).

AP-1/sigma 1B-adaptin mediates endosomal synaptic vesicle recycling, learning and memory.

Embo Journal, 29(8), 1318-1330. doi:10.1038/emboj.2010.15

Govindarajan, A., Kelleher, R. J., & Tonegawa, S. (2006). Opinion - A clustered plasticity model of

long-term memory engrams. Nature Reviews Neuroscience, 7(7), 575-583.

doi:10.1038/nrn1937

Hameroff, S. R., & Watt, R. C. (1982). Information processing in microtubules. Journal of

Theoretical Biology, 98(4), 549-561

Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Consciousness in the universe A review of the 'orch OR'

theory. Physics of Life Reviews, 11(1), 39-78. doi:10.1016/j.plrev.2013.08.002

25

Hauge, C., & Frödin, M. (2006). RSK and MSK in MAP kinase signalling. Journal of Cell Science,

119(Pt 15), 3021-3023. doi:10.1242/jcs.02950

He, B. J., Zempel, J. M., Snyder, A. Z., & Raichle, M. E. (2010). The temporal structures and

functional significance of scale-free brain activity. Neuron, 66(3), 353-369.

doi:10.1016/j.neuron.2010.04.020

Herring, B. E., & Nicoll, R. A. (2016). Long-term potentiation: From CaMKII to AMPA receptor

trafficking. Annual Review of Physiology, Vol 78, 78, 351-365. doi:10.1146/annurev-physiol-

021014-071753

Horak, M., Petralia, R. S., Kaniakova, M., & Sans, N. (2014). ER to synapse trafficking of NMDA

receptors. Frontiers in Cellular Neuroscience, 8, 394. doi:10.3389/fncel.2014.00394

Hu, H., & Wu, M. (2003). Spin as primordial self-referential process driving quantum mechanics,

spacetime dynamics and consciousness. Retrieved from

http://cogprints.org/2827/1/SpinNature.pdf

Hu, H., & Wu, M. (2017). Quantum spin formalism on consciousness. BIOPHYSICS OF

CONSCIOUSNESS: A foundational approach (pp. 415-458) World Scientific.

Impey, S., McCorkle, S. R., Cha-Molstad, H., Dwyer, J. M., Yochum, G. S., Boss, J. M., ... &

Goodman, R. H. (2004). Defining the CREB regulon: a genome-wide analysis of transcription

factor regulatory regions. Cell, 119(7), 1041-1054

Johannessen, M., Delghandi, M. P., & Moens, U. (2004). What turns CREB on?. England: Elsevier

Inc. doi:10.1016/j.cellsig.2004.05.001

26

Jun Xing, David D. Ginty, & Michael E. Greenberg. (1996). Coupling of the RAS-MAPK pathway

to gene activation by RSK2, a growth factor-regulated CREB kinase. Science, 273(5277), 959-

963. doi:10.1126/science.273.5277.959

Kandel, E. R. (2001). The molecular biology of memory storage: A dialogue between genes and

synapses. Science, 294(5544), 1030-1038. doi:10.1126/science.1067020

Kandel, E. R. (2012). The molecular biology of memory: cAMP, PKA, CRE, CREB-1, CREB-2,

and CPEB. Molecular Brain, 5(1), 14. doi:10.1186/1756-6606-5-14

Kapitein, L. C., Schlager, M. A., Kuijpers, M., Wulf, P. S., van Spronsen, M., MacKintosh, F. C., &

Hoogenraad, C. C. (2010). Mixed microtubules steer dynein-driven cargo transport into

dendrites. Current Biology, 20(4), 290-299. doi:10.1016/j.cub.2009.12.052

Knapska, E., & Kaczmarek, L. (2004). A gene for neuronal plasticity in the mammalian brain:

Zif268/egr-1/NGFI-A/krox-24/TIS8/ZENK? Progress in Neurobiology, 74(4), 183-211.

doi:10.1016/j.pneurobio.2004.05.007

Kobayashi, M., Takeda, M., Sato, T., Yamazaki, Y., Kaneko, K., Ito, K., . . . Inaba, H. (1999). In

vivo imaging of spontaneous ultraweak photon emission from a rat's brain correlated with

cerebral energy metabolism and oxidative stress. Neuroscience Research, 34(2), 103-113.

doi:10.1016/S0168-0102(99)00040-1

Köhr, G. (2006). NMDA receptor function: Subunit composition versus spatial distribution. Cell

and Tissue Research, 326(2), 439-446. doi:10.1007/s00441-006-0273-6

Kogan, J. H., Frankland, P. W., Blendy, J. A., Coblentz, J., Marowitz, Z., Schütz, G., & Silva, A. J.

(1997). Spaced training induces normal long-term memory in CREB mutant mice. Current

Biology, 7(1), 1-11. doi:10.1016/S0960-9822(06)00022-4

27

Kornhauser, J. M., Cowan, C. W., Shaywitz, A. J., Dolmetsch, R. E., Griffith, E. C., Hu, L. S., . . .

Greenberg, M. E. (2002). CREB transcriptional activity in neurons is regulated by multiple,

calcium-specific phosphorylation events. Neuron, 34(2), 221-233. doi:10.1016/S0896-

6273(02)00655-4

Liu, L., Wong, T. P., Pozza, M. F., Lingenhoehl, K., Wang, Y., Sheng, M., ... & Wang, Y. T.

(2004). Role of NMDA receptor subtypes in governing the direction of hippocampal synaptic

plasticity. Science, 304(5673), 1021-1024.

Lonze, B. E., & Ginty, D. D. (2002). Function and regulation of CREB family transcription factors

in the nervous system. Neuron, 35(4), 605-623. doi:10.1016/S0896-6273(02)00828-0

Lu, W. Y., Man, H. Y., Ju, W., Trimble, W. S., MacDonald, J. F., & Wang, Y. T. (2001).

Activation of synaptic NMDA receptors induces membrane insertion of new AMPA receptors

and LTP in cultured hippocampal neurons. Neuron, 29(1), 243-254. doi:10.1016/S0896-

6273(01)00194-5

Lynch, M. A. (2004). Long-term potentiation and memory. Physiological reviews, 84(1), 87-136

Malik, A. N., Vierbuchen, T., Hemberg, M., Rubin, A. A., Ling, E., Couch, C. H., ... & Greenberg,

M. E. (2014). Genome-wide identification and characterization of functional neuronal activity-

dependent enhancers. Nature neuroscience, 17(10), 1330-1339. doi:10.1038/nn.3808

Marie, H., Morishita, W., Yu, X., Calakos, N., & Malenka, R. C. (2005). Generation of silent

synapses by acute in vivo expression of CaMKIV and CREB. Neuron, 45(5), 741-752.

doi:10.1016/j.neuron.2005.01.039

Massey, P. V., Johnson, B. E., Moult, P. R., Auberson, Y. P., Brown, M. W., Molnar, E., ... &

Bashir, Z. I. (2004).

28

Differential roles of NR2A and NR2B-containing NMDA receptors in cortical long-term

potentiation and long-term depression. Journal of Neuroscience, 24(36), 7821-7828.

Middei, S., Houeland, G., Cavallucci, V., Ammassari‐Teule, M., D'amelio, M., & Marie, H. (2013).

CREB is necessary for synaptic maintenance and learning‐induced changes of the AMPA

receptor GluA1 subunit. Hippocampus, 23(6), 488-499.

Minatohara, K., Akiyoshi, M., & Okuno, H. (2015). Role of immediate-early genes in synaptic

plasticity and neuronal ensembles underlying the memory trace. Frontiers in Molecular

Neuroscience, 8, 78. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26778955

Miyashita, T., Oda, Y., Horiuchi, J., Yin, J. P., Morimoto, T., & Saitoe, M. (2012). Mg2+ block of

drosophila NMDA receptors is required for long-term memory formation and CREB-

dependent gene expression. Neuron, 74(5), 887-898. doi:10.1016/j.neuron.2012.03.039

Morita, D., Rah, J. C., & Isaac, J. T. R. (2014). Incorporation of inwardly rectifying AMPA

receptors at silent synapses during hippocampal long-term potentiation. Philosophical

Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences, 369(1633), 20130156.

doi:10.1098/rstb.2013.0156

Nonaka, M., Fujii, H., Kim, R., Kawashima, T., Okuno, H., & Bito, H. (2014). Untangling the two-

way signalling route from synapses to the nucleus, and from the nucleus back to the synapses.

Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences, 369(1633), 20130150.

doi:10.1098/rstb.2013.0150

Ortega-Martínez, S. (2015). A new perspective on the role of the CREB family of transcription

factors in memory consolidation via adult hippocampal neurogenesis. Frontiers in Molecular

Neuroscience, 8, 46. doi:10.3389/fnmol.2015.00046

29

Peebles, C. L., Yoo, J., Thwin, M. T., Palop, J. J., Noebels, J. L., & Finkbeiner, S. (2010). Arc

regulates spine morphology and maintains network stability in vivo. Proceedings of the National

Academy of Sciences, 107(42), 18173-18178

Priel, A., Tuszynski, J. A., & Cantiello, H. F. (2005). Electrodynamic signaling by the dendritic

cytoskeleton: toward an intracellular information processing model. Electromagnetic Biology

and Medicine, 24(3), 221-231. doi:10.1080/15368370500379590

Purves D., Augustine G., Fitzpatrick D., Hall W., LaMantia A-S. White L. (2012). Synaptic

Plasticity. Neuroscience 5th edition (pp. 163-185). Sinauer Associates Inc.

Van Wijk, R. (2001). Bio-photons and bio-communication. Journal of Scientific Exploration, 15(2),

183-197.

Raivich, G., Bohatschek, M., Da Costa, C., Iwata, O., Galiano, M., Hristova, M., . . . Behrens, A.

(2004). The AP-1 transcription factor c-jun is required for efficient axonal regeneration.

Neuron, 43(1), 57-67. doi:10.1016/j.neuron.2004.06.005

Rao, V. R., & Finkbeiner, S. (2007). NMDA and AMPA receptors: old channels, new tricks. Trends

in neurosciences, 30(6), 284-291.

Redondo, R. L., & Morris, R. G. M. (2011). Making memories last: The synaptic tagging and

capture hypothesis. Nature Reviews Neuroscience, 12(1), 17-30. doi:10.1038/nrn2963

Rogerson, T., Cai, D. J., Frank, A., Sano, Y., Shobe, J., Lopez-Aranda, M. F., & Silva, A. J. (2014).

Synaptic tagging during memory allocation. Nature Reviews Neuroscience, 15(3), 157-169.

doi:10.1038/nrn3667

30

Sanyal, S., Sandstrom, D. J., Hoeffer, C. A., & Ramaswami, M. (2002). AP-1 functions upstream of

CREB to control synaptic plasticity in Drosophila. Nature, 416(6883), 870-874.

Shaulian, E., & Karin, M. (2002). AP-1 as a regulator of cell life and death. Nature Cell Biology,

4(5), E136. doi:10.1038/ncb0502-e131

SHENG, M., & GREENBERG, M. E. (1990). The regulation and function of C-fos and other

immediate early genes in the nervous-system. Neuron, 4(4), 477-485. doi:10.1016/0896-

6273(90)90106-P

Silva, A. J., Kogan, J. H., Frankland, P. W., & Kida, S. (1998). CREB and memory. Annual Review

of Neuroscience, 21(1), 127-148. doi:10.1146/annurev.neuro.21.1.127

TULLY, T., PREAT, T., BOYNTON, S. C., & DELVECCHIO, M. (1994). Genetic dissection of

consolidated memory in drosophila. Cell, 79(1), 35-47. doi:10.1016/0092-8674(94)90398-0

Waltereit, R., & Weller, M. (2003). Signaling from cAMP/PKA to MAPK and synaptic plasticity.

Molecular Neurobiology, 27(1), 99-106. doi:99

Wang, H., & Zhuo, M. (2012). Group I metabotropic glutamate receptor-mediated gene

transcription and implications for synaptic plasticity and diseases. Frontiers in Pharmacology,

3, 189. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23125836

Wheeler, D. G., Barrett, C. F., Groth, R. D., Safa, P., & Tsien, R. W. (2008). CaMKII locally

encodes L-type channel activity to signal to nuclear CREB in excitation–transcription coupling.

The Journal of cell biology, 183(5), 849-863.

Xiling Wu, & Cynthia T. McMurray. (2001). Calmodulin kinase II attenuation of gene transcription

by preventing cAMP response element-binding protein (CREB) dimerization and binding of

31

the CREB-binding protein. Journal of Biological Chemistry, 276(3), 1735-1741.

doi:10.1074/jbc.M006727200

Xing, L., Gopal, V. K., & Quinn, P. G. (1995). cAMP response element-binding protein (CREB)

interacts with transcription factors IIB and IID. Journal of Biological Chemistry, 270(29),

17488-17493.

Yin, J. C., & Tully, T. (1996). CREB and the formation of long-term memory. Current Opinion in

Neurobiology, 6(2), 264-268. doi:10.1016/S0959-4388(96)80082-1