Naukowcy zidentyfikowali nowy mechanizm neuroplastyczności związany z uczeniem się i pamięcią

Neurony są ważne, ale nie są jedynymi graczami w tym procesie. W rzeczywistości to „chrząstka” w postaci skupisk cząsteczek macierzy zewnątrzkomórkowej zwanych siarczanami chondroityny, zlokalizowanych na zewnątrz komórek nerwowych, odgrywa kluczową rolę w zdolności mózgu do pozyskiwania i przechowywania informacji.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Cell Reports opisuje nowy mechanizm plastyczności mózgu, czyli sposób, w jaki połączenia nerwowe zmieniają się w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Artykuł nosi tytuł „Focal Clusters of the Perisynaptic Matrix Promote Activity-Dependent Plasticity and Memory in Mice”.

Niniejsza praca jest efektem współpracy Harvard Medical School, Uniwersytetu w Trydencie i Niemieckiego Centrum Chorób Neurodegeneracyjnych (DZNE) w Magdeburgu.

„Umiejętności sensoryczne i zdolność rozumienia naszego otoczenia zależą od aktywności mózgu, która pozwala nam postrzegać i przetwarzać bodźce ze świata zewnętrznego. Poprzez nasz mózg jesteśmy w stanie zdobywać i przechowywać nowe informacje, a także zapamiętywać informacje, których się już nauczyliśmy” – mówią Yuri Bozzi i Gabriele Cellini.

„To fascynujące zjawisko jest możliwe dzięki zdolności mózgu do ciągłej zmiany struktury i skuteczności połączeń nerwowych (synaps) w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Zdolność ta nazywana jest plastycznością synaptyczną. Zrozumienie, w jaki sposób zachodzą zmiany synaptyczne i jak przyczyniają się one do uczenia się i zapamiętywania, jest jednym z głównych wyzwań w neuronauce”.

Yuri Bozzi jest profesorem na Uniwersytecie w Trento i współautorem artykułu. Gabriele Cellini jest pierwszym autorem badania. Cellini rozpoczął pracę nad tym projektem w 2017 r. jako stypendysta podoktorski w laboratorium Sabiny Berretty (McLean Hospital i Harvard Medical School, Boston) i ukończył publikację naukową, pracując jako stypendysta podoktorski w laboratorium Bozziego na Uniwersytecie w Trento.

Podstawą badań są siarczany chondroityny, cząsteczki dobrze znane ze swojej roli w stawach, które odgrywają również ważną rolę w plastyczności mózgu, będąc integralną częścią macierzy zewnątrzkomórkowej mózgu, co pierwotnie odkryła grupa dr Aleksandra Ditjatewa w 2001 roku.

W 2007 r. japońskie badanie opisało obecność skupisk siarczanu chondroityny, okrągłych w kształcie i rozrzuconych pozornie losowo w całym mózgu. Praca ta została jednak zapomniana, dopóki laboratorium translacyjnej neurobiologii Sabiny Berretty nie przywróciło strukturom naukowego blasku, zmieniając ich nazwę na skupiska CS-6 (od siarczanu chondroityny-6, co identyfikuje ich dokładny skład molekularny) i wykazując, że struktury te są powiązane z komórkami glejowymi i są znacznie zredukowane w mózgach osób z zaburzeniami psychotycznymi.

Następnie, w 2017 r., Gabriele Cellini, nowo zatrudniony w laboratorium Berretty, otrzymał zadanie odkrycia funkcji tych skupisk.

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

„W tym momencie musieliśmy wykazać się odrobiną „eksperymentalnej kreatywności”; stosując kombinację podejść behawioralnych, molekularnych i zaawansowanych morfologicznych, zdaliśmy sobie sprawę, że związki te zamknięte w klastrach CS-6 zmieniają się w odpowiedzi na aktywność elektryczną mózgu”.

„Wreszcie, dzięki współpracy z Aleksandrem Dityatevem z DZNE Magdeburg i wysiłkom Hadiego Mirzapurdelawara z jego grupy, udało nam się zredukować ekspresję CS-6 w hipokampie (obszarze mózgu odpowiedzialnym za uczenie się przestrzenne) i wykazać, że obecność CS-6 jest niezbędna do plastyczności synaptycznej i pamięci przestrzennej” – podkreślają Bozzi i Cellini.

„Ta praca otwiera drogę do nowego sposobu patrzenia na funkcjonowanie mózgu. Możliwe, że wszystkie synapsy utworzone na różnych neuronach w obrębie klastrów CS-6 mają zdolność reagowania razem na określone bodźce zewnętrzne i uczestniczenia we wspólnej funkcji ukierunkowanej na procesy uczenia się i zapamiętywania” – zauważają.

„Wydaje się, że stanowią one nowy substrat dla integracji informacji i tworzenia skojarzeń na poziomie wielokomórkowym” – dodają Dityatev i Berretta.

Praca ta jest wynikiem współpracy kilku laboratoriów, w tym Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvard Medical School, Boston), Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinary Center for Brain Science, University of Trydent) i Molecular Neuroplasticity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).