Проучването разкрива нова образователна роля за енториналната кора

Проучването разкрива нова образователна роля за енториналната кора

Дългогодишен въпрос в неврологията е как мозъците на бозайниците (включително нашия) се адаптират към външна среда, информация и опит. В проучване за промяна на парадигмата, публикувано в Nature, изследователи от Института за неврологични изследвания на Ян и Дан Дънкан (Duncan NRI) в Детската болница в Тексас и Медицинския колеж Бейлър са открили механистичните стъпки, лежащи в основата на нов тип синаптична пластичност, наречена поведенческа синаптична пластичност във времето (BTSP). Проучването, ръководено от д-р Джефри Маги, професор в Бейлър, който също е изследовател в Медицинския институт Хауърд Хюз и Дънкан NRI, показва как енториналният кортекс (ЕК) изпраща инструктивни сигнали към хипокампуса -; регионът на мозъка, критичен за пространствена навигация, кодиране и консолидиране на паметта; и го инструктира конкретно да реорганизира местоположението и активността на определена подгрупа от своите неврони, за да постигне променено поведение в отговор на променящата се среда и пространствени сигнали.

Невроните комуникират помежду си чрез предаване на електрически сигнали или химикали чрез връзки, наречени синапси. Синаптичната пластичност се отнася до адаптивната способност на тези невронни връзки да стават по-силни или по-слаби с течение на времето в пряк отговор на промените във външната среда. Тази адаптивна способност на нашите неврони да реагират бързо и точно на външни сигнали е критична за нашето оцеляване и растеж и формира неврохимичната основа за учене и памет.

Мозъчната активност и поведението на животните бързо се адаптират към пространствените промени

За да идентифицира механизма, който стои в основата на способността на мозъка на бозайниците да се учи адаптивно, д-р Кристин Грийнбергер, постдокторант в лабораторията Magee и водещ автор на изследването, измерва активността на специфична група от клетки на място, които са специализирани неврони на хипокампа, които създават и актуализират „карти“ на външната среда. Тя прикрепи мощен микроскоп към мозъците на тези мишки и измери активността на тези клетки, докато мишките тичаха на линейна бягаща пътека.

В началната фаза мишките са свикнали с тази експериментална настройка и позицията на наградата (захарна вода) се променя с всеки кръг. „В тази фаза мишките непрекъснато тичаха с една и съща скорост, докато непрекъснато облизваха пистата. Това означаваше, че клетките на тези мишки образуваха еднакъв модел на плочки“, каза д-р Грийнбергер, който в момента е асистент в университета Brandeis.

В следващата фаза тя прикрепи наградата към конкретно място на пистата заедно с някои визуални знаци, за да ориентира мишките и измери активността на същата група неврони.

Видях, че промяната на местоположението на наградата промени поведението на тези животни. След това мишките спряха малко преди точката за награда, за да опитат захарната вода. И което е още по-интересно, тази промяна в поведението беше придружена от повишена плътност и активност на клетките около мястото за награда. Това предполага, че промените в пространствените сигнали могат да доведат до адаптивна реорганизация и активност на хипокампалните неврони.

Д-р Кристин Грийнбергер, асистент, университет Брандейс

Електронна книга по неврология

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година. Изтеглете копие днес

Тази експериментална парадигма позволи на изследователите да проучат как промените в пространствените знаци оформят мозъка на бозайниците, за да произведат нови адаптивни поведения.

В продължение на повече от 70 години теорията на Hebbian, разговорно обобщена като „неврони, които се задействат заедно, се свързват заедно“, доминира възгледа на невролозите за това как синапсите стават по-силни или по-слаби с течение на времето. Въпреки че тази добре проучена теория формира основата за няколко постижения в областта на неврологията, тя има някои ограничения. През 2017 г. изследователи в лабораторията Magee откриха нов и мощен тип синаптична пластичност – поведенческа времева синаптична пластичност (BTSP) – която преодолява тези ограничения и предоставя модел, който най-добре имитира времевата скала на начина, по който научаваме или помним свързани събития в реалния живот.

Използвайки новата експериментална парадигма, д-р Грийнбергер установи, че във втората фаза, предишните безшумни клетъчни неврони внезапно придобиха големи полета за място в един кръг, след като местоположението на наградата беше установено. Това откритие е в съответствие с не-хебистка форма на синаптична пластичност и обучение. Допълнителни експерименти потвърдиха, че наблюдаваните адаптивни промени в хипокампалните клетки и поведението на тези мишки наистина се дължат на BTSP.

Енториналният кортекс инструктира клетките на хипокампалното място как да реагират на пространствени промени

Въз основа на предишни проучвания екипът на Magee знаеше, че BTSP включва инструктивен/мониторингов сигнал, който не е непременно в или в съседство с активираните целеви неврони (в този случай клетките на мястото на хипокампа). За да идентифицират произхода на този обучителен сигнал, те изследваха аксоналните проекции на близката мозъчна област, наречена енторинален кортекс (EC), която инервира хипокампуса и действа като врата между хипокампуса и неокортикалните региони, които контролират по-висши изпълнителни процеси/процеси на вземане на решения.

„Открихме, че целенасоченото инхибиране на подгрупа от EC аксони, които инервират CA1 хипокампалните неврони, от които записахме, предотвратява развитието на CA1 свръхпредставяне на наградите в мозъка“, каза д-р Маги.

Въз основа на няколко линии на изследване те стигнаха до заключението, че енториналният кортекс осигурява относително инвариантен сигнал за целеви инструкции, който инструктира хипокампуса да реорганизира позицията и активността на клетките на мястото, което от своя страна влияе върху поведението на животното.

„Откритието, че една част от мозъка (енторинален комплекс) може да инструктира друга мозъчна област (хипокампус) да промени позицията и активността на своите неврони (местни клетки) е изключително откритие в неврологията“, добави д-р Маги. „Това напълно променя нашето виждане за това как в мозъка се случват промени, зависещи от обучението, и разкрива нови възможности, които ще трансформират и насочват нашия подход към неврологичните и невродегенеративните заболявания в бъдеще.“

Това проучване е финансирано от Медицинския институт Хауърд Хюз, Фондация Кълън и Института за неврологични изследвания Ян и Дан Дънкан в Тексаската детска болница.

източник:

Тексаска детска болница

Справка:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Енториналният кортекс контролира свързаните с обучението промени в представянията на CA1. Природата. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.