Naukowcy zidentyfikowali nowy mechanizm neuroplastyczności związany z uczeniem się i pamięcią

Neurony są ważne, ale nie są jedynymi uczestnikami tego procesu. Rzeczywiście to „chrząstka”, skupisko cząsteczek macierzy pozakomórkowej, zwanych siarczanami chondroityny, znajdujących się na zewnątrz komórek nerwowych, odgrywa kluczową rolę w zdolności mózgu do zdobywania i przechowywania informacji.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Cell Reports opisuje nowy mechanizm plastyczności mózgu, czyli zmiany połączeń neuronowych w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Artykuł nosi tytuł „Ogniskowe klastry macierzy perysynaptycznej promują zależną od aktywności plastyczność i pamięć u myszy”.

Niniejsza praca jest wynikiem współpracy pomiędzy Harvard Medical School, Uniwersytetem w Trydencie i Niemieckim Centrum Chorób Neurodegeneracyjnych (DZNE) w Magdeburgu.

„Umiejętności sensoryczne oraz zdolność rozumienia otoczenia zależą od aktywności mózgu, który pozwala nam odbierać i przetwarzać bodźce pochodzące ze świata zewnętrznego. Za jego pośrednictwem jesteśmy w stanie pozyskiwać i przechowywać nowe informacje, m.in. A także pamiętajmy informacje, których już się nauczyliśmy” – mówią Yuri Bozzi i Gabriele Chelini.

„To fascynujące zjawisko jest możliwe dzięki zdolności mózgu do ciągłej zmiany struktury i efektywności połączeń nerwowych (synaps) w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Zdolność tę nazywa się plastycznością synaptyczną. Zrozumienie, w jaki sposób zachodzą zmiany synaptyczne i jaki mają one wpływ na uczenie się i pamięć to jedno z głównych zadań neurobiologii.”

Yuri Bozzi jest profesorem na Uniwersytecie w Trydencie i współautorem artykułu. Gabriele Chelini jest pierwszą autorką badania. Celini rozpoczęła pracę nad tym projektem w 2017 roku jako stażysta podoktorski w laboratorium kierowanym przez Sabinę Berrettę (McLean Hospital i Harvard Medical School w Bostonie), a publikację naukową ukończyła podczas stażu podoktorskiego w laboratorium Bozziego na Uniwersytecie w Trydencie.

Badanie koncentruje się na siarczanach chondroityny, cząsteczkach dobrze znanych ze swojej roli w stawach, które odgrywają również ważną funkcję w plastyczności mózgu, będąc integralną częścią macierzy zewnątrzkomórkowej mózgu, jak pierwotnie odkryła grupa dr Aleksandra Dityatewa w 2001 roku.

W 2007 roku japońskie badanie opisało obecność okrągłych skupisk siarczanów chondroityny, pozornie losowo rozproszonych w mózgu. Praca ta została jednak zapomniana do czasu, gdy laboratorium neurobiologii translacyjnej Sabine Berretty ponownie zwróciło uwagę społeczności naukowej na te struktury, zmieniając ich nazwę na klastry CS-6 (od siarczanu chondroityny-6, który określa ich dokładny skład molekularny) i wykazując, że struktury te są związane z komórkami glejowymi i są znacznie zmniejszone w mózgach osób z zaburzeniami psychotycznymi.

Następnie w 2017 r. Gabriele Celini, nowo zatrudniona w laboratorium Berretty, otrzymała zadanie odkrycia funkcji tych gromad.

„Najpierw szczegółowo zbadaliśmy te struktury, obrazując je w bardzo wysokiej rozdzielczości. Odkryliśmy, że są to zasadniczo skupiska synaps pokrytych CS-6 i zorganizowanych w wyraźnie rozpoznawalny kształt geometryczny. Następnie zidentyfikowaliśmy nowy typ synaps organizacja” – twierdzą naukowcy.

„W tym momencie musieliśmy wykazać się „eksperymentalną kreatywnością”; dzięki połączeniu podejść behawioralnych, molekularnych i wyrafinowanych morfologicznych zdaliśmy sobie sprawę, że te związki, zamknięte w klastrach CS-6, zmieniają się w odpowiedzi na aktywność elektryczną w mózg."

„W końcu, dzięki współpracy z Alexandrem Dityatevem z DZNE Magdeburg i wysiłkom Hadiego Mirzapourdelawara z jego grupy, zredukowaliśmy ekspresję CS-6 w hipokampie (obszarze mózgu odpowiedzialnym za uczenie się przestrzenne) i zademonstrowaliśmy że obecność CS-6 jest konieczna dla plastyczności synaptycznej i pamięci przestrzennej” – podkreślają Bozzi i Celini.

„Ta praca toruje drogę nowemu spojrzeniu na funkcjonowanie mózgu. Jest możliwe, że wszystkie synapsy utworzone na różnych neuronach w klastrach CS-6 mają zdolność wspólnego reagowania na określone bodźce zewnętrzne i uczestniczenia we wspólnej funkcji mającej na celu procesy uczenia się i zapamiętywania” – zauważają.

„Wydają się stanowić nowy substrat do integrowania informacji i tworzenia skojarzeń na poziomie wielokomórkowym” – dodają Dityatev i Berretta.

Praca ta jest wynikiem współpracy kilku laboratoriów, w tym Laboratorium Neurobiologii Translacyjnej (Sabina Berretta; McLean Hospital – Harvard Medical School, Boston), Laboratorium Badań nad Zaburzeniami Neurorozwojowymi (Yuri Bozzi; CIMeC – Interdyscyplinarne Centrum Nauki o Mózgu, Uniwersytet w Trydencie) i neuroplastyczność molekularna (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).