Menuju Definisi Molekuler Penyimpanan Memori Jangka Panjang

(1)

Menuju definisi molekuler penyimpanan memori jangka panjang

CRAIG H. BAILEY*, DUSAN BARTSCH*, DAN ERIC R. KANDEL*†

Biaya penerbitan artikel ini sebagian dibiayai dengan pembayaran biaya halaman. Oleh karena itu, artikel ini harus ditandai ''iklan'' sesuai dengan 18 USC §1734 semata-mata untuk menunjukkan fakta ini.

Makalah ini dipresentasikan pada kolokium berjudul ''Memori: Merekam Pengalaman dalam Sel dan Sirkuit,'' yang

diselenggarakan oleh Patricia S. Goldman-Rakic, yang diadakan pada tanggal 17–20 Februari 1996, di National Academy of Sciences di Irvine, CA.

Singkatan: LTP, potensiasi jangka panjang; 5-HT, serotonin; CRE, elemen respons cAMP; CREB, protein pengikat CRE; PKA, protein kinase A; MAP, protein yang diaktifkan mitogen; CEBP, protein pengikat penambah CCAAT;

ApCEBP, Aplysia CEBP; ERE, elemen respons penambah; EPSP, potensial postsinaptik rangsang.

Kolokium

†Howard Hughes Medical Institute, dan *Pusat Neurobiologi dan Perilaku, Fakultas Dokter dan Ahli Bedah Universitas Columbia, Negara Bagian New York Lembaga Psikiatri, 722 West 168th Street, New York, NY 10032

Memori untuk Sensitisasi Jangka Panjang—Sebuah Implikasi Memori Memiliki Setidaknya Dua Bentuk Utama

Bentuk Memori di Aplysia—Memiliki Representasi di Komponen Monosinaptik dari Refleks

Sejauh mana kedua bentuk memori yang berbeda ini berbagi komponen molekuler yang sama? Satu petunjuk mengenai mekanisme bersama datang dari studi tentang tahapan penyimpanan memori. Memori untuk bentuk pembelajaran implisit dan eksplisit dinilai dan durasi memori terkait dengan jumlah percobaan pelatihan dan umumnya dibagi menjadi setidaknya dua komponen yang berbeda secara temporal: memori jangka pendek, yang berlangsung beberapa menit hingga beberapa jam, dan memori jangka panjang, yang berlangsung beberapa hari, minggu, dan, dalam beberapa kasus, bahkan seumur hidup. Studi memori jangka panjang untuk pembelajaran implisit dan eksplisit menunjukkan bahwa masing-masing menggunakan serangkaian peristiwa molekuler yang terjadi selama periode konsolidasi—fase awal penyimpanan memori—yang labil dan sangat sensitif terhadap gangguan.

Dalam kedua kasus tersebut, konversi bentuk jangka pendek sementara yang hanya memerlukan modifikasi kovalen dari protein yang sudah ada sebelumnya, menjadi bentuk jangka panjang yang lebih stabil dan terpelihara sendiri yang disertai dengan pertumbuhan koneksi sinaptik baru, memerlukan program seluler ekspresi gen dan peningkatan sintesis protein. Di sini kami mempertimbangkan sejauh mana gen dan protein ini dilestarikan dalam dua bentuk utama penyimpanan memori. Pertama-tama kami menguraikan beberapa wawasan molekuler yang telah diberikan oleh studi neurobiologis tentang bentuk-bentuk dasar memori implisit di Aplysia dan Drosophila.

Kemudian kami mempertimbangkan secara singkat potensiasi jangka panjang (LTP) di hipokampus, sejenis plastisitas sinaptik yang dianggap terlibat dalam penyimpanan memori jangka panjang untuk bentuk pembelajaran eksplisit di otak mamalia.

Kemajuan luar biasa dalam genetika molekuler selama dua dekade terakhir telah menghasilkan pandangan baru dan lebih terpadu tentang ilmu biologi.

Kemajuan besar dalam pemahaman kita tentang gen, ekspresinya, dan struktur protein yang dikodekannya telah menghasilkan apresiasi yang lebih baik terhadap konservasi fungsi seluler pada tingkat molekuler yang sekarang menyediakan kerangka konseptual umum untuk beberapa disiplin ilmu yang sebelumnya tidak terkait: biologi sel, biokimia, perkembangan, imunologi, dan neurobiologi seluler. Penyatuan paralel dan berpotensi sama mendalamnya terjadi antara psikologi kognitif, ilmu pikiran, dan ilmu saraf, ilmu otak.

Kemampuan untuk mempelajari dasar biologis fungsi mental memberikan dorongan yang lebih baik untuk memeriksa proses kognitif, seperti persepsi, bahasa, pembelajaran, dan memori. Sejauh mana kedua disiplin ilmu yang independen dan berbeda ini dapat disatukan? Dapatkah biologi molekuler memberikan wawasan baru tentang pikiran? Dalam tinjauan singkat ini, kami mempertimbangkan kemungkinan biologi molekuler kognisi, dengan menggunakan beberapa bentuk dasar pembelajaran dan memori pada invertebrata dan otak mamalia sebagai contoh.

sirkuit saraf di otak (2). Memori eksplisit secara unik bergantung pada lobus temporal dan struktur diensefalik—misalnya, hipokampus, subikulum, dan korteks entorhinal—sedangkan memori implisit tidak bergantung pada fungsi lobus temporal tetapi melibatkan jalur sensorik, motorik, atau asosiasional yang sama yang digunakan dalam ekspresi proses pembelajaran. Jadi, sementara memori eksplisit paling mudah dipelajari pada mamalia, bentuk memori implisit dapat dipelajari secara efektif baik pada vertebrata nonmamalia maupun invertebrata tingkat tinggi.

ABSTRAK Penyimpanan memori jangka panjang dikaitkan dengan program seluler ekspresi gen, sintesis protein yang berubah, dan pertumbuhan koneksi sinaptik baru. Studi terbaru tentang berbagai proses memori, mulai dari kompleksitas yang dihasilkan oleh bentuk pembelajaran implisit sederhana pada invertebrata hingga yang dihasilkan oleh bentuk pembelajaran eksplisit yang lebih kompleks pada mamalia, menunjukkan bahwa bagian dari perubahan molekuler yang diperlukan untuk konsolidasi memori jangka panjang adalah aktivasi kaskade gen yang dapat diinduksi cAMP dan perekrutan faktor transkripsi terkait protein pengikat elemen respons cAMP. Konservasi langkah-langkah dalam mekanisme plastisitas sinaptik terkait pembelajaran ini menunjukkan kemungkinan biologi molekuler kognisi.

Studi perilaku dan biologi modern telah menunjukkan bahwa pembelajaran dan ingatan bukanlah suatu proses yang tunggal—bukan suatu kemampuan tunggal dalam pikiran—melainkan suatu keluarga dari proses-proses yang berbeda, yang masing-masing memiliki aturannya sendiri. Dalam pengertian yang paling umum, pembelajaran dapat dianggap sebagai proses perolehan informasi baru tentang dunia, dan ingatan dapat dianggap sebagai proses penyimpanan pengetahuan tersebut. Studi-studi terkini telah menunjukkan bahwa ingatan dapat dibagi menjadi setidaknya dua kategori umum (1).

Sensitisasi merupakan bentuk dasar pembelajaran nonasosiatif, yang dengannya hewan mempelajari sifat-sifat dari satu stimulus yang berbahaya.

Hewan belajar untuk memperkuat refleks pertahanannya dan merespons dengan penuh semangat berbagai stimulus yang sebelumnya netral atau acuh tak acuh setelah terpapar stimulus yang berpotensi mengancam atau berbahaya. Pada Aplysia, sensitisasi refleks penarikan insang dan sifon dapat diinduksi oleh stimulus kuat yang diberikan pada ekor. Hal ini mengaktifkan interneuron fasilitator, yang bersinaps pada neuron sensorik dan memperkuat hubungan sinaptik antara neuron sensorik dan sel target sentralnya (3). Seperti halnya pada kasus pertahanan lainnya

13445 Memori eksplisit atau deklaratif adalah ingatan sadar akan pengetahuan

tentang orang, tempat, dan benda dan khususnya berkembang dengan baik di otak vertebrata. Memori implisit atau nondeklaratif adalah ingatan nonsadar akan keterampilan motorik dan tugas-tugas lain dan mencakup bentuk-bentuk asosiatif sederhana, seperti pengkondisian klasik, dan bentuk-bentuk nonasosiatif, seperti sensitisasi dan pembiasaan. Kedua jenis memori tersebut tampaknya melibatkan hal-hal yang berbeda

Diunduh dari https://www.pnas.org oleh 125.165.107.137 pada tanggal 23 September 2024 dari alamat IP 125.165.107.137.

(2)

GAMBAR 1. Sensitisasi jangka panjang berdasarkan perilaku.

Ringkasan efek pelatihan sensitisasi jangka panjang terhadap durasi penarikan sifon pada Aplysia californica. Retensi memori untuk sensitisasi adalah fungsi bertingkat yang proporsional dengan jumlah percobaan pelatihan. Hewan percobaan menerima empat kejutan tunggal selama 1 hari (å), empat rangkaian kejutan selama 1 hari (Ç), atau empat rangkaian kejutan sehari selama 4 hari (E). Hewan kontrol tidak diberi kejutan (•). Uji pendahuluan menentukan durasi rata-rata penarikan sifon untuk semua hewan sebelum pelatihan. Pengujian pascapelatihan dilakukan 1, 4, atau 7 hari setelah hari terakhir pelatihan. Tanda bintang menunjukkan perbedaan signifikan antara durasi penarikan sifon untuk hewan yang dilatih dan hewan kontrol (uji Mann–Whitney U , P 0,01). N

menunjukkan jumlah hewan per kelompok. [Diproduksi dengan izin dari Frost et al. (5).]

Memori untuk sensitisasi jangka pendek dan jangka panjang direpresentasikan pada tingkat dasar oleh koneksi monosinaptik antara neuron sensorik mekanoreseptor yang teridentifikasi dan sel-sel pengikutnya.

Meskipun komponen ini hanya mencakup sebagian dari modifikasi perilaku yang diukur pada hewan utuh, kesederhanaannya telah memungkinkan pengurangan analisis memori jangka pendek dan jangka panjang dari sensitisasi ke tingkat seluler dan molekuler. Misalnya, jalur monosinaptik ini dapat disusun kembali dalam kultur sel yang terdisosiasi (6), di mana serotonin (5-HT), neurotransmitter modulasi yang biasanya dilepaskan oleh rangsangan yang menimbulkan sensitisasi, dapat menggantikan kejutan pada leher atau ekor yang digunakan selama pelatihan perilaku pada hewan utuh (7). Satu aplikasi 5-HT tunggal menghasilkan perubahan jangka pendek dalam efektivitas sinaptik, sedangkan lima aplikasi berjarak yang diberikan selama periode 1,5 jam menghasilkan perubahan jangka panjang yang berlangsung 1 hari atau lebih (8).

Studi biofisika tentang hubungan monosinaptik ini menunjukkan bahwa baik kesamaan maupun perbedaan dalam memori mencerminkan, setidaknya sebagian, mekanisme seluler intrinsik dari sel-sel saraf yang berpartisipasi dalam penyimpanan memori. Dengan demikian, studi tentang hubungan antara neuron sensorik dan motorik pada hewan utuh dan dalam sel dalam kultur menunjukkan bahwa perubahan jangka panjang secara mengejutkan mirip dengan perubahan jangka pendek. Komponen peningkatan kekuatan sinaptik yang diamati selama perubahan jangka pendek dan jangka panjang disebabkan, dalam setiap kasus, oleh peningkatan pelepasan pemancar oleh neuron sensorik, disertai dengan peningkatan rangsangan neuron sensorik, yang disebabkan oleh depresi saluran kalium tertentu (9–13).

Fasilitasi Jangka Panjang Memerlukan Perekrutan cAMP

Faktor Transkripsi dan Aktivasi Ekspresi Gen yang Bergantung pada cAMP

refleks penarikan, memori perilaku untuk sensitisasi refleks penarikan insang dan sifon dinilai, dan retensi proporsional dengan jumlah uji coba pelatihan.

Rangsangan tunggal pada ekor menimbulkan sensitisasi jangka pendek yang berlangsung beberapa menit hingga beberapa jam. Pengulangan rangsangan menghasilkan sensitisasi perilaku jangka panjang yang dapat berlangsung beberapa hari hingga beberapa minggu (ref. 4 dan 5; Gambar 1).

protein yang sudah ada sebelumnya dan perubahan koneksi yang sudah ada sebelumnya. Baik sensitisasi perilaku jangka pendek pada hewan maupun fasilitasi jangka pendek dalam kultur sel yang terdisosiasi tidak memerlukan sintesis makromolekul yang berkelanjutan; perubahan jangka pendek tidak diblokir oleh penghambat transkripsi atau translasi (14). Sebaliknya, penghambat ini secara selektif memblokir induksi perubahan jangka panjang baik pada hewan yang setengah utuh (15) maupun dalam kultur sel primer (8).

Yang paling mencolok adalah temuan bahwa induksi fasilitasi jangka panjang pada sinaps tunggal ini di Aplysia menunjukkan jendela waktu kritis dalam kebutuhannya untuk sintesis protein dan RNA yang merupakan karakteristik yang diperlukan untuk bentuk pembelajaran lain pada vertebrata dan invertebrata (16). Dari perspektif molekuler, penelitian ini menunjukkan bahwa perubahan perilaku dan seluler jangka panjang memerlukan ekspresi gen dan protein yang tidak diperlukan untuk jangka pendek. Kedua, proses jangka panjang, tetapi bukan proses jangka pendek, melibatkan perubahan struktural.

Bailey dan Chen (17–19) telah menunjukkan bahwa pelatihan sensitisasi jangka panjang dikaitkan dengan pertumbuhan koneksi sinaptik baru oleh neuron sensorik ke sel-sel pengikutnya. Pertumbuhan sinaptik ini dapat diinduksi dalam ganglion utuh melalui injeksi intraseluler adenosine 3:5-cyclic phosphate (cAMP), pembawa pesan kedua yang diaktifkan oleh 5-HT (20), dan dapat disusun kembali dalam kokultur neuron sensorik-motorik melalui penyajian 5-HT berulang-ulang (21, 22). Temuan representasi seluler dasar dari memori jangka panjang ini sekarang memungkinkan kita untuk bertanya:

Apa substrat molekuler dan mekanisme pengaturan yang mendasari penyimpanan memori?

Penelitian oleh Bernier et al. (23) dan Bacskai et al. (24) telah menunjukkan bahwa 5-HT, yang bekerja pada neuron sensorik, merangsang sintesis cAMP, yang kemudian mengaktifkan subunit katalitik protein kinase A (PKA) dengan melepaskan ikatannya ke subunit regulator.

Dengan mencitrakan subunit katalitik dan regulator bebas dari PKA, Bacskai dkk. menemukan bahwa satu denyut 5-HT meningkatkan konsentrasi subunit katalitik bebas dalam sitoplasma neuron sensorik, terutama di terminal presinaptik. Dengan denyut 5-HT yang berulang, subunit katalitik bertranslokasi ke nukleus neuron sensorik, di mana ia tampak memfosforilasi satu atau lebih faktor transkripsi terkait CREB yang mengaktifkan gen yang dapat diinduksi cAMP.

Dash et al. (25) memberikan bukti eksperimental pertama bahwa salah satu substrat protein kinase A adalah protein mirip CREB yang mengikat elemen respons cAMP (CRE) dengan menyuntikkan oligonukleotida yang mengandung somatostatin CRE ke dalam neuron sensorik, dan memblokir fasilitasi jangka panjang tanpa memengaruhi fasilitasi jangka pendek. Kaang et al. (26) memperluas studi ini dengan mengekspresikan dalam neuron sensorik transaktivator chimeric yang terdiri dari domain aktivasi CREB mamalia yang menyatu dengan domain pengikat DNA GAL4, yang mampu mentransaktivasi gen reporter sebagai respons terhadap aplikasi 5-HT berulang. Untuk menguji apakah aktivitas PKA diperlukan untuk induksi respons yang bergantung pada 5-HT ini, Kaang et al. membandingkan aktivitas chimera CREB–GAL4 tipe liar dengan chimera mutan (CREB–GAL4 SA 119), di mana serin 119 (penting untuk aktivasi oleh CREB mamalia), digantikan dengan alanin dan menemukan bahwa substitusi ini menghapuskan kemampuan 5-HT untuk menginduksi transaktivasi oleh CREB–GAL4. Kinase yang penting untuk aktivitas ini kemungkinan besar adalah PKA, karena mutasi yang hanya menonaktifkan situs fosforilasi PKA tetapi membiarkan situs konsensus kinase yang bergantung pada kalmodulin Ca2 tetap utuh (substitusi argi-nine 117 dengan alanin) memblokir transaktivasi yang bergantung pada 5-HT. Data ini mendukung hipotesis bahwa faktor transkripsi terkait CREB, yang diaktifkan oleh fosforilasi yang bergantung pada PKA, diperlukan untuk induksi proses jangka panjang, dan

Pertama, perubahan jangka pendek hanya melibatkan modifikasi kovalen Meskipun terdapat beberapa kesamaan, perubahan seluler jangka pendek berbeda dari proses jangka panjang dalam dua hal penting.

Protein Pengikat Elemen Respons (CREB) Terkait

(3)

[Direproduksi dengan izin dari Bartsch et al. (27) (Hak Cipta 1995, Cell Press).]

GAMBAR 2. Waktu perjalanan efek injeksi antiserum ApCREB2 pada fasilitasi jangka pendek dan jangka panjang. (A) Waktu perjalanan perubahan amplitudo potensial postsinaptik eksitatori (EPSP) yang terekam dalam neuron motorik L7 sebagai respons terhadap stimulasi neuron sensorik (dinyatakan sebagai persentase perubahan dalam amplitudo EPSP) setelah aplikasi tunggal dan ganda 5-HT pada kultur neuron sensorik-motorik Aplysia . Perubahan amplitudo EPSP setelah aplikasi satu denyut 5-HT 5-menit (1 5-HT, fasilitasi jangka pendek) dan satu denyut 5-HT 5-menit yang dipasangkan dengan injeksi antibodi anti-ApCREB2 (1 5-HT CREB-2 Ab, keduanya dalam garis tebal) dibandingkan dengan perubahan amplitudo EPSP yang diinduksi oleh lima denyut 5-HT (5 5- HT) pada 2 dan 24 jam. Sementara fasilitasi EPSP menurun dengan cepat setelah satu denyut 5-HT (dengan kembali ke garis dasar setelah 10 menit), memasangkan satu denyut 5-HT dengan injeksi antibodi anti-ApCREB2 menginduksi fasilitasi jangka panjang yang sejajar dengan 5 5-HT. Fasilitasi jangka panjang ini dihapuskan dengan penerapan penghambat sintesis

protein anisomisin (1 5-HT CREB-2 Ab ANISO) atau penghambat sintesis RNA aktinomisin D (1 5-HT CREB-2 Ab ACTINO) selama pelatihan. Perbedaan amplitudo EPSP pada 2 jam antara 5 5-HT dan 1 5-HT CREB-2 Ab dapat mencerminkan komponen fasilitasi jangka panjang yang bergantung pada sintesis protein sementara, tetapi tidak bergantung pada sintesis RNA, 2 jam setelah stimulasi 5-HT (29). Kontrol tidak diobati (kontrol), atau disuntik dengan antiserum ApCREB2 tanpa pemberian 5-HT (CREB-2 Ab). (B) Perbandingan perjalanan waktu perubahan amplitudo EPSP dalam 2 jam pertama setelah penerapan satu denyut 5-HT selama 5 menit dengan atau tanpa injeksi antibodi CREB-2. Sel kontrol tidak terpapar 5- HT. (C) Contoh EPSP yang terekam dalam motoneuron L7 setelah stimulasi neuron sensorik sebelum (0 jam) dan 2 dan 24 jam setelah pengobatan 5-HT. Satu denyut 5-HT yang dipasangkan dengan injeksi antiserum ApCREB2 menginduksi peningkatan signifikan dalam amplitudo EPSP pada 2 dan 24 jam, tetapi injeksi serum preimun (Ab PRE-CREB-2) atau serum imun yang terkuras tidak menginduksi fasilitasi jangka panjang.

(D) Contoh EPSP yang terekam pada waktu tertentu dalam kokultur yang disuntik dengan antiserum ApCREB2 yang dipasangkan dengan satu denyut 5-HT selama 5 menit.

represi CREB2. Jika demikian, maka pelepasan represi dapat memperkuat proses aktivasi. Untuk menguji secara langsung korelasi fungsional dan struktural terkait pembelajaran dari hipotesis ini, kami telah menghasilkan antibodi spesifik terhadap ApCREB2 dan menyuntikkannya ke dalam nukleus neuron sensorik dalam kokultur neuron sensorik-motorik.

CREB1 Bertindak Bersama dengan CREB2

ApCREB2 diekspresikan dalam keadaan basal (tanpa paparan 5-HT) pada neuron sensorik Aplysia dan tidak diinduksi oleh 5-HT. Meskipun urutan faktor transkripsi ini tidak mengandung situs konsensus seperti CREB untuk fosforilasi oleh PKA (domain KID atau kotak P), ia memiliki protein kinase C dan beberapa situs mitogen-activated protein (MAP) kinase.

Secara keseluruhan, struktur primer ApCREB2 homolog dengan CREB2 manusia dan ATF4 tikus. Homologi ini sangat menarik, karena CREB2 manusia telah terbukti menjadi penekan ekspresi gen yang dimediasi CREB1 (28), yang menunjukkan bahwa gen yang diatur oleh cAMP dapat berfungsi di bawah kendali ganda. Di satu sisi, gen tersebut dapat diaktifkan oleh CREB1 dan, di sisi lain, ditekan oleh CREB2. Oleh karena itu, ekspresi gen yang diinduksi cAMP dapat melibatkan setidaknya dua langkah yang terkait secara temporal: (i) mengaktifkan CREB1 dan (ii) menghilangkan

menunjukkan bahwa protein mirip CREB terlibat dalam pengaturan ekspresi gen baru yang menyertai fasilitasi jangka panjang.

Apakah CREB bekerja sendiri atau bersama-sama dengan faktor transkripsi lainnya? Kelompok faktor transkripsi yang menjadi bagian CREB memiliki kemampuan untuk membentuk homodimer dan heterodimer. Interaksi ini dan pengikatan DNA dari dimer yang dihasilkan dimediasi melalui domain ritsleting leusin bipartit. Bartsch dkk. (27) telah menggunakan domain ritsleting leusin dasar dari faktor transkripsi Aplysia ApCEBP dalam penyaringan dua hibrida pada ragi dan mengidentifikasi dua faktor transkripsi bZIP: ApCREB2 dan AF-1.

ApCREB2 Menekan Fasilitasi Jangka Panjang: Pembebasan Represi Mengubah Fasilitasi Sementara menjadi

Perubahan Fungsional dan Struktural Jangka Panjang

Kami telah menemukan bahwa penyuntikan antibodi CREB2 ke dalam neuron sensorik memungkinkan satu denyut 5-HT, yang biasanya hanya memicu fasilitasi jangka pendek yang berlangsung beberapa menit, untuk menimbulkan fasilitasi yang berlangsung selama 1 hari. Fasilitasi ini memiliki semua sifat fasilitasi jangka panjang: memerlukan transkripsi dan translasi, memicu pertumbuhan koneksi sinaptik baru, dan menghalangi fasilitasi lebih lanjut oleh lima denyut 5-HT.

Gambar 2 mengilustrasikan perjalanan waktu dan ringkasan efek injeksi antiserum ApCREB2 pada fasilitasi jangka pendek dan jangka panjang. Baik pada Aplysia utuh maupun dalam kultur sel saraf, lima denyut 5-HT menginduksi fasilitasi jangka panjang dalam hubungan antara neuron sensorik dan motorik yang berlangsung selama 24 jam atau lebih. Sebaliknya, satu denyut 5-HT hanya menghasilkan fasilitasi jangka pendek yang berlangsung selama 10 menit. Dengan adanya antiserum, alih-alih menghasilkan fasilitasi jangka pendek, satu denyut 5-HT sekarang menghasilkan fasilitasi yang berlangsung selama 24 jam. Fasilitasi ini kuat dan sebanding dalam besarnya dengan yang terlihat pada 24 jam dengan lima denyut 5-HT.

(4)

Ringkasan perubahan struktural dan fungsional yang disebabkan oleh satu denyut 5-HT. Penyuntikan antiserum ApCREB2 yang dipasangkan dengan satu denyut 5- HT 24 jam kemudian menghasilkan peningkatan signifikan amplitudo EPSP dan peningkatan signifikan yang bersamaan dalam jumlah varises. (B) Contoh perubahan struktural yang terlihat 24 jam setelah satu denyut 5-HT yang dipasangkan dengan penyuntikan antiserum ApCREB2. Mikrograf fluoresensi yang diambil dari daerah neurit sensorik yang sama yang menyentuh bukit akson L7 sebelum (1 dan 3) dan 24 jam setelah pengobatan (2 dan 4). Anak panah pada 2 mengilustrasikan contoh beberapa varises baru yang muncul 1 hari setelah satu denyut 5-HT yang dipasangkan dengan penyuntikan antiserum ApCREB2. EPSP, yang ditimbulkan sebelum (0 jam) dan setelah (24 jam) satu denyut 5-HT pada neuron yang digambarkan ditunjukkan dalam sisipan. (Bar 20 m.) [Direproduksi dengan izin dari Bartsch et al. (27) (Hak Cipta 1995, Cell Press).]

GAMBAR 3. Perubahan fungsional dan struktural jangka panjang yang ditimbulkan oleh satu denyut 5-HT yang dipasangkan dengan injeksi antiserum ApCREB2. (A)

Jika satu denyut 5-HT dengan adanya antiserum ApCREB2 meniru fenotipe fasilitasi jangka panjang, penyuntikan antibodi juga harus menghalangi efek dari lima denyut 5-HT. Kami menemukan bahwa ini adalah kasusnya. Dalam kultur bersama yang disuntik dengan antiserum ApCREB2, fasilitasi yang diukur 24 jam setelah lima denyut 5-HT tidak secara signifikan lebih besar daripada fasilitasi yang diperoleh dalam sel yang terpapar lima denyut 5-HT dan tidak disuntik dengan antibodi atau sel yang diobati dengan lima denyut 5- HT dan disuntik dengan serum kelinci normal. Dengan demikian, fasilitasi yang dihasilkan oleh satu denyut 5-HT dengan adanya antibodi memiliki sifat yang mirip dengan yang diinduksi oleh lima denyut 5-HT dan menghalangi efek dari lima denyut.

Fasilitasi yang dihasilkan pada 2 jam oleh lima pulsa 5-HT diblokir sepenuhnya oleh penghambat sintesis protein tetapi hanya

Akhirnya, kami menguji apakah ApCREB2 juga dapat bertindak sebagai penekan perubahan morfologi yang menyertai fasilitasi jangka panjang. Di sini, kami menyuntikkan antiserum ApCREB2 ke dalam neuron sensorik dan memeriksa, secara paralel, konsekuensi dari satu denyut 5-HT pada perubahan jangka panjang baik dalam kekuatan koneksi neuron sensorik-motorik maupun pada jumlah varises neuron sensorik berlabel fluoresensi yang menghubungi neuron motorik (Gbr. 3). Kami menemukan bahwa pemasangan satu denyut 5- HT dengan suntikan antiserum ApCREB2 1 jam sebelum pelatihan menyebabkan peningkatan yang signifikan, 24 jam setelah penyuntikan, baik dalam kekuatan koneksi neuron sensorik-motorik maupun dalam jumlah varises neuron sensorik. Sebaliknya, sel kontrol yang hanya menerima satu denyut 5-HT dan tanpa suntikan antiserum tidak menunjukkan fasilitasi dan tidak ada peningkatan dalam jumlah varises neuron sensorik 24 jam setelah pelatihan. Besarnya perubahan fungsional dan struktural jangka panjang sebanding dengan yang terlihat pada 24 jam setelah lima denyut 5-HT (21, 22).

Bagaimana represi ApCREB1 oleh ApCREB2 dapat diatasi? Karena kami tidak mendeteksi degradasi protein ApCREB2 yang signifikan setelah paparan 5-HT, tindakan represif ApCREB2 kemungkinan besar diatasi oleh modifikasi kovalen yang diinduksi oleh denyut 5-HT yang berulang. Memang, kami telah mendeteksi perubahan dalam fosforilasi ApCREB2 setelah paparan 5-HT yang berulang. Menurut pandangan ini, peran fisiologis ApCREB2 mungkin ada dua: pertama, ia dapat mencegah proses jangka panjang diaktifkan secara tidak sengaja tanpa paparan 5-HT yang berulang; dan, kedua, ia dapat mengatur amplitudo

Seperti disebutkan di atas, fasilitasi jangka panjang memerlukan sintesis protein dan RNA baru (8, 22). Oleh karena itu, kami meneliti efek penghambat sintesis protein dan RNA pada modifikasi sinaptik yang dihasilkan pada 2 dan 24 jam setelah penyuntikan antiserum ApCREB2 yang dipasangkan dengan penerapan satu denyut 5-HT. Inkubasi kokultur neuron sensorik-motorik dengan penghambat ini selama satu denyut 5-HT menghambat peningkatan amplitudo potensial sinaptik setelah penyuntikan dengan antiserum ApCREB2, baik pada 2 jam setelah paparan maupun pada 24 jam.

sebagian diblokir oleh inhibitor transkripsi (29). Hal ini menunjukkan bahwa lima denyut 5-HT memodulasi baik transkripsi maupun translasi. Karena ApCREB2 mungkin hanya bekerja pada komponen transkripsi fasilitasi jangka panjang, seseorang mungkin memperkirakan bahwa pemasangan satu denyut 5-HT dengan injeksi antiserum ApCREB2 akan menghasilkan fasilitasi yang lebih sedikit pada 2 jam daripada lima denyut 5-HT. Fasilitasi pada 2 jam yang dihasilkan oleh satu denyut 5-HT dengan adanya antibodi ApCREB2 adalah 30% lebih sedikit daripada yang dihasilkan oleh lima denyut 5-HT. Demikian pula, injeksi oligonukleotida CRE, yang mungkin juga hanya memengaruhi komponen transkripsi fasilitasi 2 jam, juga ditemukan menghasilkan penghambatan yang sebanding pada 2 jam, sehingga mendukung gagasan bahwa peran ApCREB2 khusus untuk respons transkripsi yang diinduksi 5-HT.

Data kami memberikan bukti bahwa ApCREB2 adalah penekan fungsional dari fasilitasi jangka panjang. Data ini dan penelitian paralel di Drosophila memberikan bukti molekuler pertama untuk kemungkinan peran aktivator dan penekan dalam penyimpanan memori. Ekspresi berlebihan dari bentuk penghambat homolog CREB1 Drosophila , dCREB2b, menghambat pembentukan memori jangka panjang pada lalat transgenik (30). Baru-baru ini, Yin dkk. (31) menunjukkan bahwa ekspresi berlebihan dari bentuk pengaktif homolog CREB1 Drosophila , dCREB2a sangat mengurangi jumlah uji coba pelatihan yang diperlukan untuk membangun memori jangka panjang.

Peningkatan fungsi ini, di mana satu uji coba pelatihan massal cukup untuk mencapai memori jangka panjang, yang biasanya memerlukan uji coba pelatihan yang diberi jarak, sangat memperkuat bukti sebelumnya dari Drosophila (30, 31), Aplysia (25, 26), dan tikus (32) bahwa CREB1 sangat penting dalam memulai proses jangka panjang.

Hasil di Aplysia menunjukkan pentingnya ApCREB2 dalam proses ini.

Penyuntikan antibodi ApCREB2 yang dipasangkan dengan uji pelatihan tunggal, yang biasanya hanya menghasilkan fasilitasi jangka pendek, menghasilkan induksi fasilitasi jangka panjang. Peningkatan fungsi ini menyerupai ekspresi berlebih dari aktivator dCREB2a di Drosophila dan menunjukkan kemungkinan menarik bahwa penghilangan represi yang dimediasi ApCREB2 mungkin membatasi dalam mengatur peningkatan kekuatan sinaptik jangka panjang.

Inisiasi Fasilitasi Jangka Panjang Memerlukan Regulasi Terkoordinasi CREB1 dan CREB2

(5)

GAMBAR 4. Penyuntikan oligonukleotida ERE menghambat fasilitasi jangka panjang tetapi tidak jangka pendek yang diinduksi 5-HT pada sinapsis motorik sensorik. (A) Contoh EPSP yang terekam dalam neuron motorik L7 setelah stimulasi neuron sensorik sebelum (0 jam) dan 24 jam setelah pengobatan 5-HT. Penyuntikan oligonukleotida ERE tetapi bukan mutan yang sesuai (Mutasi ERE) menghambat peningkatan amplitudo EPSP yang diinduksi 5-HT pada 24 jam. Kultur kontrol tidak menerima aplikasi 5-HT atau penyuntikan oligonukleotida.

(B) Grafik batang yang menggambarkan efek injeksi oligonukleotida dalam fasilitasi jangka panjang. Tinggi setiap batang sesuai dengan persentase perubahan rata-rata SEM dalam amplitudo EPSP yang diuji 24 jam setelah pengobatan 5-HT. Lima denyut 5-HT secara signifikan meningkatkan amplitudo EPSP dalam sel yang tidak disuntik, serta dalam sel mutan ERE atau sel mutan ApCRE yang disuntik, relatif terhadap kontrol (bukan sel yang diobati dengan 5-HT

dan tidak disuntik). Sebaliknya, perubahan amplitudo EPSP dalam sel yang disuntik ERE atau ApCRE tidak berbeda secara signifikan dari sel kontrol yang tidak disuntik maupun diobati.

(C) Grafik batang yang menggambarkan persentase perubahan amplitudo EPSP rata-rata SEM dari sel yang difasilitasi jangka pendek yang disuntik dengan oligonukleotida ERE, dengan ApCRE, atau dengan buffer. Satu denyut 5-HT tidak memiliki efek signifikan pada amplitudo EPSP dalam sel yang tidak disuntik atau sel yang disuntik dengan ERE, atau ApCRE. [Direproduksi dengan izin dari Alberini et al. (34) (Hak Cipta 1995, Cell Press).]

Berapa lama faktor transkripsi ini perlu aktif? Apakah pengikatan ApCEBP ke urutan targetnya diperlukan sepanjang keseluruhan periode pemeliharaan atau apakah fasilitasi menjadi berkelanjutan sebagai hasil dari ekspresi selanjutnya dari gen efektor yang lebih stabil? Untuk membedakan antara hipotesis ini, Alberini et al. menyuntikkan oligonukleotida ERE ke dalam sel sensorik pada berbagai waktu setelah pengobatan 5-HT. Mereka menemukan efek pemblokiran berkurang secara progresif ketika injeksi dilakukan pada interval yang lebih lama setelah pelatihan, dengan fasilitasi tidak lagi terpengaruh oleh injeksi pada 12 jam setelah pelatihan. Oleh karena itu, induksi ApCEBP selama pengobatan 5-HT mengarah pada aktivasi kaskade kejadian berkelanjutan yang penting untuk fase akhir fasilitasi jangka panjang.

Merupakan Gen Awal-Segera yang Diinduksi Selama

Apakah aktivasi ApCEBP penting untuk konversi fasilitasi jangka pendek ke jangka panjang? Untuk menjawab pertanyaan ini, Alberini et al.

Protein Pengikat Peningkat CCAAT Aplysia (ApCEBP)

Mekanisme molekuler derepresi ApCREB2 dalam kondisi fisiologis tidak diketahui. Akan tetapi, menarik bahwa ApCREB2 berbagi situs fosforilasi kinase MAP dengan homolognya CREB2 manusia dan ATF4 tikus. Lebih jauh, kinase MAP diaktifkan oleh 5-HT dan forskolin dalam neuron Aplysia dan, seperti PKA, ditranslokasi ke nukleus dengan aktivitas yang diperpanjang (K.

Martin, komunikasi pribadi). Keharusan untuk mentranslokasi baik PKA maupun kinase MAP ke nukleus dapat memberikan beberapa wawasan mengapa fasilitasi jangka panjang memerlukan denyut 5-HT yang berulang.

Ini mungkin diperlukan untuk memungkinkan aktivasi PKA dan kinase MAP yang terus-menerus dan untuk mentranslokasi PKA dan mungkin kinase MAP ke nukleus, sehingga dapat mengaktifkan aktivator dan melepaskan represor.

Selain itu, jalur yang mengatur stimulasi aktivator dan pelepasan represor mungkin memiliki kinetika yang berbeda. Perbedaan kinetika tersebut dapat menentukan rentang waktu optimal yang memisahkan uji coba pelatihan dan menjelaskan perbedaan yang sudah diketahui antara pelatihan massal dan pelatihan jarak jauh. Mungkin alasan mengapa pelatihan jarak jauh lebih efektif daripada pelatihan massal adalah karena hanya pelatihan jarak jauh yang memungkinkan aktivasi ApCREB1 dan derepresi ApCREB2 secara terkoordinasi.

Produk jaringan gen ini, yang hanya beberapa diantaranya telah diidentifikasi sejauh ini, menyebabkan pertumbuhan sinapsis tambahan antara neuron sensorik dan sel pengikutnya, yang menstabilkan proses memori jangka panjang yang dipertahankan sendiri (17–19).

Tahap Konsolidasi Fasilitasi Jangka Panjang

perubahan sinaptik dengan mengintegrasikan aktivasi ApCREB1 oleh PKA dengan sinyal dari jalur pembawa pesan kedua tambahan.

Gen mana yang berada di hilir dari CREB1? Untuk menjawab pertanyaan ini, selanjutnya kami fokus pada faktor transkripsi yang diatur oleh cAMP.

Beberapa faktor transkripsi yang diketahui diaktifkan oleh cAMP termasuk dalam famili yang dikenal sebagai protein pengikat penambah CCAAT (CEBP). Anggota famili ini, CEBP, diekspresikan dalam garis sel pheochromocytoma PC12 tikus, di mana ia telah terbukti diaktifkan oleh cAMP dan mengatur ekspresi gen c-fos dengan mengikat elemen respons penambah (ERE) dalam promotor c-fos (33). Karena neuron Aplysia mengandung aktivitas pengikatan spesifik untuk ERE, Alberini et al. (34) menggunakan urutan pengikatan ERE dan mengisolasi klon yang berinteraksi secara spesifik dengan elemen pengikat DNA CEBP. mRNA Aplysia CEBP diekspresikan pada kadar rendah dalam keadaan basal, tetapi ia diinduksi dengan cepat dan sementara oleh 5-HT dan cAMP, bahkan dengan adanya penghambat sintesis protein, yang menunjukkan bahwa ApC EBP adalah gen segera-dini.

Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa Aplysia CEBP, gen awal-segera yang diaktifkan selama fase konsolidasi fasilitasi jangka panjang, berfungsi sebagai bagian dari peralihan molekuler untuk mengubah memori jangka pendek menjadi memori jangka panjang.

menyuntikkan oligonukleotida ERE ke dalam neuron sensorik dalam kultur bersama neuron sensorik-motorik. Hal ini secara selektif memblokir fasilitasi jangka panjang yang diinduksi 5-HT tanpa memengaruhi fasilitasi jangka pendek (Gbr. 4). Hasil serupa diperoleh dengan mikroinjeksi RNA antisense ApCEBP atau antibodi terhadap ApCEBP.

Memang, stabilitas fasilitasi jangka panjang tampaknya merupakan hasil dari persistensi perubahan struktural pada sinapsis antara neuron sensorik dan motorik, yang pembusukannya sejajar dengan pembusukan memori perilaku (35).

Fasilitasi Jangka Panjang

Apa mekanisme molekuler yang mendasari pembentukan koneksi sinaptik baru yang terkait dengan pembelajaran? Pertumbuhan sinaptik yang diinduksi 5-HT dalam kokultur neuron sensorik-motorik dikaitkan dengan penurunan regulasi molekul adhesi sel saraf (NCAM) yang terkait dengan molekul adhesi sel Aplysia (apCAM) pada membran permukaan neuron sensorik (36). Penurunan regulasi terutama menonjol di tempat- tempat di mana proses neuron sensorik saling bersentuhan dan dicapai di sana melalui aktivasi yang bergantung pada sintesis protein dari program terkoordinasi endositosis yang dimediasi clathrin, yang mengarah pada internalisasi dan degradasi apCAM yang tampak (37). Aplysia mengekspresikan dua isoform apCAM,

Perubahan Struktural Menstabilkan Fase Akhir

(6)

PKA bekerja pada setidaknya dua kelas substrat untuk meningkatkan pelepasan pemancar (41). Pertama, ia memfosforilasi saluran K atau protein terkait, yang menyebabkan pengurangan arus K keluar dan mengakibatkan pelebaran potensial aksi dan peningkatan masuknya Ca2 ke neuron presinaptik (9–13).

Kedua, PKA juga tampaknya bekerja langsung pada mesin yang terlibat dalam pelepasan pemancar secara eksositosis. Modifikasi ini terjadi di terminal presinaptik dan tidak bergantung pada sintesis makromolekul baru, dan durasinya menentukan jangka waktu fasilitasi jangka pendek.

Internalisasi selektif bentuk transmembran menyoroti potensi signifikansi regulasi domain intraselulernya, yang mengandung urutan yang kaya akan residu prolin, asam glutamat, serin, dan treonin yang dianggap memediasi degradasi protein (PEST) dan memiliki dua situs konsensus untuk fosforilasi kinase MAP.

Penghapusan atau mutasi pada ekor sitoplasma seharusnya memungkinkan penentuan bagian mana dari molekul ini yang memicu internalisasi dan bagian mana yang menargetkan degradasi.

Sebaliknya, fase akhir ditandai dengan perubahan struktural yang muncul dalam waktu 1 jam setelah latihan 5-HT atau tail shock (46) dan bertahan selama berhari-hari atau berminggu-minggu (35). Memang, gen pengatur yang diinduksi dapat, pada gilirannya, memulai putaran aktivasi transkripsi lebih lanjut yang menghasilkan kaskade ekspresi gen berurutan yang memengaruhi gen yang mengkode protein seperti BiP (47) dan calreticulin (48), yang dapat mencerminkan respons umum yang dirancang untuk memenuhi tuntutan pascatranslasi dari peningkatan sintesis protein, seperti

Meskipun aktivitas enzim PKA diperlukan selama 10 jam pertama setelah aplikasi 5-HT berulang, aktivitas tersebut tidak dipertahankan (45).

bentuk membran dan bentuk yang terkait dengan fosfoinositol. Manakah dari dua isoform apCAM yang diinternalisasi? Untuk menjawab pertanyaan ini, Bailey dkk.

(38) secara selektif mengekspresikan konstruksi berlabel epitop dari dua isoform tersebut dalam neuron sensorik yang dikultur. Dengan menggabungkan mikroskopi elektron penampang tipis dengan antibodi terkonjugasi emas, mereka menemukan bahwa 5-HT menimbulkan penurunan 68% dalam kepadatan kompleks berlabel emas yang terikat pada bentuk transmembran apCAM di membran permukaan dan peningkatan 24 kali lipat dalam internalisasinya.

Sebaliknya, 5-HT tidak memiliki efek pada distribusi permukaan atau internalisasi isoform apCAM yang terkait dengan fosfatidilinositol.

Kedua, aktivasi endositosis masif dapat menyebabkan redistribusi komponen membran yang mendukung pembentukan sinaps.

Berdasarkan temuan ini, Bailey dkk. (37) telah menyarankan bahwa internalisasi apCAM yang diinduksi 5-HT dan remodeling membran yang diaktifkan secara endositosis sebagai akibatnya dapat mewakili langkah morfologi pertama dalam program struktural yang mendasari fasilitasi jangka panjang.

Menurut pandangan ini, pembentukan sinaps yang terkait dengan pembelajaran didahului oleh dan mungkin memerlukan aktivasi endositosis, yang kemudian dapat berfungsi ganda.

sel syaraf.

Kemampuan 5-HT untuk memodifikasi struktur sistem permukaan dan membran internal neuron sensorik di Aplysia, dengan memulai serangkaian langkah yang cepat dan bergantung pada sintesis protein, memiliki kemiripan yang mencolok dengan pengacak-acak permukaan sel dan remodeling membran yang diinduksi dalam sistem nonneuronal oleh faktor pertumbuhan epidermal dan faktor pertumbuhan lain yang berkarakterisasi dengan baik (39) atau oleh faktor pertumbuhan saraf dalam sel PC12 (40). Kesamaan ini menunjukkan bahwa pemancar modulasi yang penting untuk pembelajaran, seperti 5-HT, dapat berfungsi ganda. Selain menghasilkan regulasi sementara terhadap rangsangan neuron, paparan berulang atau berkepanjangan terhadap pemancar modulasi juga dapat menghasilkan tindakan yang sebanding dengan faktor pertumbuhan, yang menghasilkan perubahan yang lebih persisten dalam arsitektur

Gambar 5 mengilustrasikan ringkasan skematis dari tiga langkah yang telah kami gambarkan dalam konversi fasilitasi presinaptik jangka pendek ke jangka panjang. Dalam model ini, 5-HT, pemancar modulasi yang dilepaskan dengan memfasilitasi interneuron yang berakhir secara presinaptik pada neuron sensorik, bertindak untuk memulai proses memori terpisah dengan durasi yang berbeda.

Fasilitasi jangka pendek, yang memiliki rentang waktu beberapa menit, dimulai dengan pengikatan 5-HT ke reseptor permukaannya. Ini mengaktifkan adenilil siklase, yang mengkatalisis sintesis cAMP. cAMP mengikat subunit pengatur PKA, yang mengarah pada pelepasan dan aktivasi subunit katalitiknya.

Model Molekuler Tiga Langkah Transisi Memori Jangka Pendek ke Jangka Panjang pada Aplysia: Inisiasi, Konsolidasi, dan Stabilisasi

Pertama, penghilangan molekul adhesi sel dari permukaan saraf di lokasi aposisi dapat mengganggu kontak adhesif dan memfasilitasi defasikulasi, suatu proses yang dapat

Dengan aplikasi 5-HT yang berulang atau berkepanjangan, subunit katalitik PKA bertranslokasi ke nukleus, tempat ia bekerja pada substrat nukleus, yang meliputi faktor transkripsi dari keluarga faktor transkripsi pengaktif CREB. Dengan demikian, aktivitas protein pengikat CRE diperlukan untuk inisiasi fasilitasi jangka panjang. Secara khusus, komponen inisiasi dari peralihan ke fasilitasi jangka panjang ini memerlukan regulasi terkoordinasi dari sedikitnya dua faktor transkripsi: aktivasi CREB1 dan pelepasan represi CREB2. Komponen inisiasi ini mengarah pada induksi cepat gen-gen segera-dini ubiquitin hidrolase dan ApCEBP dan menunjukkan bahwa komponen konsolidasi fasilitasi jangka panjang memerlukan aktivasi jaringan gen dengan protein aktif konstitutif yang mengatur ekspresi gen respons langsung. Beberapa di antaranya adalah gen pengatur awal yang, pada gilirannya, tampaknya mengarah pada ekspresi gen akhir (mungkin struktural) yang bertanggung jawab atas fase stabilisasi.

Pengaktifan mekanisme pemeliharaan diri oleh gen segera-dini menjelaskan mengapa fase karakteristik yang bergantung pada sintesis protein bersifat singkat: induksi faktor pengatur merupakan langkah pembatas yang

memungkinkan ekspresi peristiwa fase akhir. Selain faktor pengatur, efektor awal juga disintesis selama fase konsolidasi. Di antara efektor ini adalah hidrolase ubikuitin C-terminal, yang tampaknya berpartisipasi dalam pembelahan proteolitik subunit pengatur PKA, mempertahankan aktivitas enzimatik subunit katalitik tanpa adanya peningkatan cAMP (42, 43) dan rantai ringan klathrin, yang mungkin terlibat dalam penghilangan apCAM dari permukaan sel melalui aktivasi jalur endositosis dan dengan demikian, dapat berkontribusi pada tahap awal pertumbuhan sinaptik (37, 44).

Berbeda dengan efek jangka pendek, pengaktifan berulang interneuron serotonergik memicu fasilitasi jangka panjang yang memerlukan induksi protein baru dan berlangsung selama 1 hari.

GAMBAR 5. Jalur molekuler yang mendasari fasilitasi prasinaptik jangka pendek dan jangka panjang di Aplysia. Lihat teks untuk detailnya.

(7)

GAMBAR 6. Model kerja mekanisme molekuler yang mendasari fase awal dan akhir LTP di daerah hipokampus CA1 dan CA3. Lihat teks untuk detailnya.

Kaskade cAMP juga digunakan untuk bentuk implisit dari

Memori yang berlangsung selama berjam-jam dipertahankan oleh waktu paruh protein efektor atau oleh modifikasi fungsional, seperti fosforilasi, dari protein- protein ini. Beberapa protein efektor awal juga dapat berfungsi untuk memperkuat dan mempertahankan respons awal, misalnya, dengan aktivasi proteolitik dari protein kinase. Memori yang berlangsung selama berhari-hari, berminggu- minggu, atau berbulan-bulan (lebih lama dari waktu paruh protein efektor) dimulai oleh gen pengatur awal, yang produk proteinnya memicu ekspresi gen efektor akhir yang dipertahankan, yang dapat berkontribusi dan menstabilkan pertumbuhan koneksi sinaptik baru yang bertepatan dengan fase pemeliharaan memori jangka panjang.

Ekspresi penghambat PKA menggunakan promotor kejutan panas juga menghalangi pembelajaran (52).

Baru-baru ini, Tully et al.(53) telah menunjukkan bahwa pelatihan spasi

menghasilkan memori jangka panjang yang berlangsung setidaknya 7 hari dan diblokir Beberapa mutan gen tunggal telah diisolasi yang tidak dapat mempelajari tugas tersebut meskipun perilaku mereka normal. Tiga mutasi telah dianalisis secara rinci dan masing-masing melibatkan satu langkah dalam kaskade cAMP. Dunce melibatkan cacat pada fosfodiesterase cAMP (49), rutabaga cacat pada adenilil siklase yang bergantung pada Ca2calmodulin (50), dan amnesiac tidak memiliki pemancar peptida pengaktif adenilil siklase pituitary (PACAP) yang merangsang adenilil siklase (51).

serta protein struktural yang diperlukan untuk pembangunan cabang sinaptik baru yang terkait dengan sensitisasi jangka panjang.

Mekanisme Molekuler Bersama untuk Memori Jangka Panjang di

Penguatan ini disebut LTP.

Penyimpanan memori untuk bentuk pembelajaran eksplisit, baik pada manusia maupun hewan percobaan, sangat bergantung pada struktur dalam lobus temporal, seperti hipokampus (2). Apa saja mekanisme seluler yang digunakan dalam hipokampus untuk penyimpanan memori eksplisit? Pertanyaan ini pertama kali dijawab pada tahun 1973, ketika Timothy Bliss dan Terry Lømo menunjukkan bahwa neuron hipokampus menunjukkan kemampuan plastis yang tahan lama seperti yang diperlukan untuk penyimpanan memori jangka panjang (54).

Stimulasi singkat dan frekuensi tinggi dalam salah satu dari tiga jalur saraf yang paling terkarakterisasi dalam hipokampus menghasilkan peningkatan efikasi sinaptik yang dapat bertahan selama berjam-jam atau berhari-hari.

oleh penghambat sintesis protein. Memori jangka panjang ini diblokir secara selektif oleh ekspresi penghambat dominan negatif CREB yang diinduksi oleh guncangan panas, yaitu represor transkripsi mirip modulator elemen respons cAMP (CREM) (30). Sebaliknya, ekspresi berlebihan aktivator CREB menyebabkan memori jangka panjang langsung. Dengan demikian, beberapa bentuk memori jangka panjang untuk berbagai bentuk pembelajaran pada Drosophila memerlukan ekspresi gen yang diinduksi oleh CREB dan cAMP.

Mirip dengan fasilitasi presinaptik di Aplysia, baik serat lumut maupun LTP kolateral Schaffer memiliki fase temporal yang berbeda, masing-masing dengan representasi seluler. Fase awal dihasilkan oleh stimulasi tetanik tunggal, berlangsung 1–3 jam, dan hanya memerlukan modifikasi kovalen dari protein yang sudah ada sebelumnya. Sebaliknya, fase akhir diinduksi oleh stimulasi tetanik berulang, bertahan selama beberapa jam, dan bergantung pada sintesis protein dan RNA baru (61–64). Seperti halnya dengan memori jangka panjang di Aplysia, pada tingkat seluler terdapat peralihan konsolidasi, dan kebutuhan untuk transkripsi di LTP memiliki jendela waktu kritis (64). Selain itu, fase akhir LTP yang bergantung pada transkripsi diblokir oleh inhibitor PKA (61, 62). Studi terbaru oleh Nguyen dan Kandel (65) kini menunjukkan bahwa ciri-ciri LTP ini juga berlaku untuk jalur hipokampus utama ketiga, jalur perforan medial, yang berasal dari korteks entorhinal dan berakhir pada sel-sel granula di girus dentata.

LTP dalam jalur ini menunjukkan fase awal sementara, yang tidak memerlukan sintesis protein atau RNA dan tidak bergantung pada aktivasi PKA, dan fase akhir, yang memerlukan sintesis protein dan RNA dan dapat diblokir secara selektif oleh inhibitor PKA. Jadi, seperti dalam fasilitasi presinaptik Aplysia , transkripsi yang dimediasi cAMP tampaknya merupakan mekanisme umum untuk bentuk akhir LTP di ketiga jalur dalam hipokampus (Gbr. 6). Konsisten dengan pengamatan ini adalah temuan Bourtchuladze et al.

Studi pada Aplysia dan Drosophila menunjukkan bahwa bagian dari perubahan molekuler yang diperlukan untuk konsolidasi memori jangka panjang selama bentuk pembelajaran implisit dasar melibatkan induksi gen awal langsung yang dimediasi cAMP. Apakah ada serangkaian langkah molekuler serupa untuk konsolidasi memori bentuk pembelajaran eksplisit yang lebih kompleks di otak mamalia?

Pembelajaran Implisit dan Eksplisit

LTP di hipokampus mamalia memiliki beberapa mekanisme yang sama yang digunakan untuk fasilitasi sinaptik di Aplysia. Misalnya, LTP serat lumut, yang terjadi pada sinaps antara sel-sel granula girus dentata dan sel piramidal CA3, melibatkan peningkatan pelepasan pemancar dari terminal presinaptik yang bergantung pada cAMP. Sebaliknya, LTP kolateral Schaffer di CA1 jauh lebih kompleks. Di sini fase induktif adalah peristiwa postsinaptik dan melibatkan masuknya kalsium melalui saluran reseptor N-metil-D -aspartat dan perekrutan beberapa jalur pembawa pesan kedua yang melibatkan tirosin kinase, protein kinase C, dan kalsium kalmodulin kinase II. Selain langkah awal dalam sel postsinaptik, LTP kolateral Schaffer juga melibatkan peningkatan pelepasan pemancar dari neuron presinaptik (55–57), yang dapat dimediasi oleh sinyal pembawa pesan retrograde (mungkin oksida nitrat atau karbon monoksida) yang berdifusi dari sel postsinaptik (58–60).

Seberapa umum kaskade aktivasi gen yang dipicu oleh cAMP dan dimediasi oleh CREB untuk penyimpanan memori? Bentuk lain dari memori implisit yang sederhana, yaitu untuk pengkondisian klasik, telah diteliti pada Drosophila menggunakan isyarat penciuman yang dipasangkan dengan sengatan listrik.

Memori pada Lalat Buah

(8)

Bagian dari karya yang dikutip dalam tinjauan ini didukung oleh Howard Hughes Medical Institute untuk ERK dan National Institutes of Health Grants MH37134 dan GM32099 untuk CHB

54. Bliss, TVP & Lomo, T. (1973) J. Physiol. (London) 232, 331–356.

57. Malgaroli, A. & Tsien, RW (1992) Alam (London) 357, 134–139.

45, 315–326.

32. Bourtchuladze, R., Frenguelli, B., Blendy, J., Cioffi, D., Schutz, G. & Silva, AJ (1994) Sel 79, 59–68.

44. Hu, Y., Barzilai, A., Chen, M., Bailey, CH & Kandel, ER (1993) Neuron 22. Bailey, CH, Montarolo, PG, Chen, M., Kandel, ER & Schacher, S.

24. Bacskai, BJ, Hochner, B., Mahaut-Smith, M., Adamas, SR Kaang, B.-K., Kandel, ER

& Tsien, RY (1993) Sains 260 222–226.

13. Dale, N., Schacher, S. & Kandel, ER (1988) Sains 239, 282–285.

Reed, RR (1992) Sel 68, 479–489.

1. Polster, MR, Nadel, L. & Schachter, DL (1991) J. Cognit. Ahli saraf. 3,

18. Bailey, CH & Chen, M. (1988) Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat 85, 2373–2377.

30. Yin, JCP, Wallach, JS, Del Vecchio, M., Wilder, EL, Zhou, H.,

39. Bretscher, A. (1989) J. Biol. Sel. 108, 921–930.

3. Hawkins, RD, Castellucci, VF & Kandel, ER (1981) J. Neurofisiologi.

42. Bergold, PJ, Sweatt, JD, Winicov, I., Weiss, KR, Kandel, ER & Schwartz, JH (1990) Proc. Natal. Akademik. Sains. AS 87, 3788-3791.

53. Tully, T., Preat, T., Boynton, SC & Del Vecchio, M. (1994) Sel 79, 35–47.

68. Sonnenberg, JL, Rauscher, FJ, III, Morgan, JI & Curran, T. (1989) 21. Glanzman, DL, Kandel, ER & Schacher, S. (1990) Sains 249, 799–

9. Klein, M. & Kandel, ER (1980) Proc. Natal. Akademik. Sains. AS 77, 6912–6916.

119, 1069–1076.

64. Nguyen, PV, Abel, T. & Kandel, ER (1994) Sains 265, 1104–1107.

26. Kaang, BK, Kandel, ER & Grant, SGN (1993) Neuron 10, 427–435.

37. Bailey, CH, Chen, M., Keller, F. & Kandel, ER (1992) Sains 256,

Abstrak 20, 1072.

50. Levin, LR, Han, PL, Hwang, PM, Feinstein, PG, Dins, RL dan 17. Bailey, CH & Chen, M. (1983) Sains 220, 91–93.

29. Ghirardi, M., Montarolo, PG & Kandel, ER (1995) Neuron 14, 413–420.

56. Malinow, R. & Tsien, TW (1990) Alam (London) 346, 177–180.

Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat 88, 11285–11289.

60. O'Dell, TJ, Huang, PL, Dawson, TM, Dinerman, JL, Snyder, SH, Kandel, ER &

Fishman, MC (1994) Sains 265, 542–546.

7. Glanzman, DL, Mackey, SL, Hawkins, RD, Dyke, AM, Lloyd, PO

Jurnal Neurosains. 2, 1682–1691.

18, 712.

1099–1114.

12. Scholz, KP & Byrne, JH (1987) Sains 235, 685–687.

34, 939–953.

718–721.

Sains 256, 638–644.

2. Squire, LR (1992) Psikolog. Rev. 99, 195–231.

67. Dragunow, M., Currie, RW, Faull, RLM, Robertson, HA & Jansen, K. (1989) Neurosci.

Berperilaku. Membekukan. 13, 301–313.

41. Byrne, JH & Kandel, ER (1995) J. Ilmu Saraf. 16, 425–435.

52. Drain, P., Folkers, E. & Quinn, WG (1991) Neuron 6, 71–82.

31. Yin, JCP, Del Vecchio, M., Zhou, H. & Tully, T. (1995) Sel 81, 107–115.

Sains. Amerika Serikat 90, 7436–7440.

Nomor telepon 802

& Schacher, S. (1986) Sains 234, 1249–1254.

47. Kuhl, D., Kennedy, TE, Barzilai, A. & Kandel, ER (1992) J. Cell Biol.

63. Huang, Y.-Y. & Kandel, ER (1994) Belajar. Nona. 1, 74–82.

66. Cole, AJ, Saffen, DW, Baraban, JM & Worley, PF (1989) Alam

11. Dale, N., Kandel, ER & Schacher, S. (1987) J. Neurosci. 7, 2232-2238.

38. Bailey, CH, Kaang, B.-K., Chen, M. & Kandel, ER (1994) Soc. ilmu saraf.

49. Byers, D., Davis, RL & Kiger, JA (1981) Alam (London) 289, 79–81.

16. Davis, HP & Squire, LR (1984) Psikologi Bull. 96, 518–559.

28. Karpinski, BA, Morle, GD, Huggenvik, J., Uhler, MD & Lenden, JM (1992) Proc. Natal.

Akademik. Sains. AS 89, 4820–4824.

20. Nazif, FA, Byrne, JH & Cleary, LJ (1991) Res Otak. 539 324–327.

6. Rayport, SG dan Schacher, S. (1986) Jurnal Neurosains. 6, 759–763.

45. Montarolo, PG, Ghirardi, M. & Kandel, ER (1992) Soc. Abstrak.

59. Schuman, EM & Madison, DV (1991) Sains 254, 1503–1506.

23. Bernier, L., Castellucci, VF, Kandel, ER & Schwartz, JH (1982)

34. Alberini, CM, Ghirardi, M., Metz, R. & Kandel, ER (1994) Sel 76,

62. Huang, Y.-Y., Li, X.-C. & Kandel, ER (1994) Sel 79, 69–79.

8. Montarolo, PG, Goelet, P., Castellucci, VF, Morgan, J., Kandel, ER

36. Mayford, M., Barzilai, A., Keller, F., Schacher, S. & Kandel, ER (1992)

Abstrak 19, 16.

14. Schwartz, JH, Castellucci, VF & Kandel, ER (1971) J. Neurophysiol.

25. Dash, PK, Hochner, B. & Kandel, ER (1990) Alam (London) 345,

(Inggris) 340, 474–476.

69. Bailey, CH & Kandel, ER (1993) Annu. Pdt. Fisiol. 55, 397–426.

55. Bekkers, JM & Stevens, CF (1990) Alam (London) 346, 724–729.

5. Frost, WN, Castellucci, VF, Hawkins, RD & Kandel, ER (1985)

Quinn, WG & Tully, T. (1994) Sel 79, 49–58.

457–465.

10, 921–929.

58. O'Dell, TJ, Hawkins, RD, Kandel, ER & Arancio, O. (1991) Proc.

(1992) Neuron 9, 749–758.

33. Metz, R. & Ziff, E. (1991) Pengembangan Gen. 5, 1754–1766.

65. Nguyen, PV & Kandel, ER (1996) J. Neurosci. 16, sedang diterbitkan.

10. Hochner, B., Schacher, S. & Kandel, ER (1986) Proc. Natal. Akademik. Sains. AS 83, 8410-8414.

51. Feany, MB & Quinn, WG (1995) Sains 268, 869–873.

95–116.

40. Connolly, JL, Green, SA & Greene, LA (1984) J. Biol. Sel 98,

19. Bailey, CH & Chen, M. (1988) Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat 85, 9356–9359.

Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat 82, 8266–8269. 61. Frey, U., Huang, Y.-Y. & Kandel, ER (1993) Sains 260, 1661–1664.

& Kandel, ER (1989) J. Ilmu Saraf. 9, 4200–4213.

35. Bailey, CH & Chen, M. (1989) Jurnal Neurosains. 9, 1774–1780.

46. Bailey, CH, Chen, M., Kandel, ER & Schacher, S. (1993) Ilmu Saraf Sosial.

27. Bartsch, D., Ghirardi, M., Skehel, PA, Karl, KA, Herder, SP, Chen, M., Bailey, CH &

Kandel, ER (1995) Sel 83, 979–992.

645–649.

48. Kennedy, TE, Gawinowicz, MA, Barzilai, A., Kandel, ER & Sweatt, JD (1988) Proc.

Natal. Minggu. Main ski. AS 85, 7008–7012.

15. Castellucci, VF, Blumenfeld, H. & Goelet, P. (1989) J. Neurobiol. 20, 1–9.

4. Pinsker, HM, Hening, WA, Carew, TJ & Kandel, ER (1973) Sains 182, 1039–1042.

Sains 246, 1622–1625.

43. Hegde, AN, Goldberg, AL & Schwartz, JH (1993) Prosiding Akademik Nasional.

Pandangan Keseluruhan

Pertama, langkah inisiasi melibatkan aktivasi CREB1 dan derepresi CREB2. Kedua, langkah konsolidasi melibatkan induksi oleh CREB1 dari serangkaian gen segera-dini, seperti hidrolase ubikuitin C-terminal dan faktor transkripsi CEBP. Ketiga, langkah stabilisasi melibatkan penurunan regulasi apCAM dan perekrutan proses pertumbuhan.

Karena sejumlah penelitian pada otak vertebrata telah menunjukkan bahwa gen segera- dini diinduksi di hipokampus dan beberapa daerah neokorteks oleh perawatan yang menyebabkan LTP (66–68), akan menjadi sangat menarik untuk menyelidiki apakah faktor transkripsi yang bergantung pada cAMP, mungkin dari keluarga CEBP, juga diperlukan untuk modifikasi sinaptik jangka panjang pada mamalia.

Pada Aplysia, mekanisme ini mencakup serangkaian tiga langkah.

Kesamaan yang tampak dalam beberapa langkah molekuler yang mendasari plastisitas sinaptik terkait pembelajaran mungkin mencerminkan fakta bahwa memori jangka panjang untuk penyimpanan implisit dan eksplisit dikaitkan dengan perubahan struktural (69). Fase akhir yang stabil dan berkelanjutan ini diaktifkan oleh induksi kaskade gen segera-awal yang dimediasi cAMP.

(32), yang telah mempelajari garis keturunan tikus dengan penghapusan selektif isoform CREB. Meskipun tikus-tikus ini menunjukkan perolehan normal dan retensi jangka pendek (30 menit) pembelajaran kontekstual, mereka secara selektif cacat dalam hal memori jangka panjang yang diuji pada 1 jam atau 24 jam.

Salah satu prinsip pemersatu yang muncul dari studi molekuler tentang penyimpanan memori implisit dan eksplisit ini adalah bahwa, terlepas dari berbagai cara yang digunakan untuk menginduksi setiap bentuk, perubahan genetik berikutnya yang diperlukan untuk mengubah memori jangka pendek menjadi memori jangka panjang mungkin serupa.

Dengan demikian, studi molekuler tentang kognisi mengungkap, pada tingkat mekanistik, hubungan yang sebelumnya tidak diantisipasi antara berbagai kelas pembelajaran, dan menunjukkan kemungkinan menarik bahwa penyimpanan memori jangka panjang dapat memanfaatkan gen dan protein yang sama.

Bahwa fase akhir dari serat lumut, kolateral Schaffer, dan jalur perforan medial LTP juga melibatkan cAMP menimbulkan kemungkinan menarik bahwa, di hipokampus juga, cAMP dan protein kinase A direkrut, karena mereka mungkin dapat mengakses mesin molekuler untuk perubahan struktural jangka panjang. Dengan menggambarkan gen dan protein yang direkrut oleh bentuk LTP yang bergantung dan tidak bergantung N-metil-D -aspartat, kemungkinan ini sekarang dapat diuji. Jadi, sementara hewan dan manusia mampu melakukan berbagai macam proses pembelajaran yang memanfaatkan sejumlah kaskade pembawa pesan kedua yang berbeda, mereka dapat merekrut serangkaian mekanisme molekuler yang jauh lebih terbatas untuk penyimpanan memori jangka panjang.