Undersøgelse afslører en ny pædagogisk rolle for den entorhinale cortex

Undersøgelse afslører en ny pædagogisk rolle for den entorhinale cortex

Et mangeårigt spørgsmål inden for neurovidenskab er, hvordan pattedyrs hjerner (inklusive vores) tilpasser sig ydre miljøer, informationer og oplevelser. I en paradigmeskiftende undersøgelse offentliggjort i Nature har forskere ved Jan og Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) ved Texas Children's Hospital og Baylor College of Medicine opdaget de mekanistiske trin, der ligger til grund for en ny type synaptisk plasticitet kaldet adfærdsmæssig tidsskala synaptisk plasticitet (BTSP). Undersøgelsen ledet af Dr. Jeffrey Magee, en professor ved Baylor, som også er Howard Hughes Medical Institute og Duncan NRI forsker, viser, hvordan den entorhinale cortex (EC) sender instruktive signaler til hippocampus -; hjerneregionen, der er kritisk for rumlig navigation, hukommelseskodning og konsolidering; og instruerer den i specifikt at omorganisere placeringen og aktiviteten af ​​en bestemt delmængde af dens neuroner for at opnå ændret adfærd som reaktion på dets skiftende miljø og rumlige signaler.

Neuroner kommunikerer med hinanden ved at transmittere elektriske signaler eller kemikalier gennem forbindelser kaldet synapser. Synaptisk plasticitet refererer til disse neurale forbindelsers adaptive evne til at blive stærkere eller svagere over tid som direkte reaktion på ændringer i deres ydre miljø. Denne tilpasningsevne hos vores neuroner til at reagere hurtigt og præcist på eksterne signaler er afgørende for vores overlevelse og vækst og danner det neurokemiske grundlag for indlæring og hukommelse.

Et dyrs hjerneaktivitet og adfærd tilpasser sig hurtigt til rumlige ændringer

For at identificere den mekanisme, der ligger til grund for pattedyrshjernens evne til at lære adaptivt, målte Dr. Christine Grienberger, en postdoc-forsker i Magee-laboratoriet og hovedforfatter af undersøgelsen, aktiviteten af ​​en specifik gruppe stedceller, som er specialiserede hippocampale neuroner, der skaber og opdaterer "kort" over eksterne miljøer. Hun fastgjorde et kraftigt mikroskop til hjernen på disse mus og målte aktiviteten af ​​disse celler, mens musene løb på et lineært løbebånd.

I den indledende fase var musene vant til denne forsøgsopstilling, og belønningens position (sukkervand) blev ændret for hver runde. "I denne fase løb musene kontinuerligt med samme hastighed, mens de konstant slikkede sporet. Det betød, at stedcellerne i disse mus dannede et ensartet flisemønster," siger Dr. Grienberger, som i dag er adjunkt ved Brandeis Universitet.

I den næste fase knyttede hun belønningen til et bestemt sted på banen sammen med nogle visuelle tegn til at orientere musene og målte aktiviteten af ​​den samme gruppe af neuroner.

Jeg har set, at ændring af belønningsstedet ændrede disse dyrs adfærd. Musene stoppede derefter kort før belønningspunktet for at smage sukkervandet. Og endnu mere interessant, denne adfærdsændring blev ledsaget af øget tæthed og aktivitet af stedceller omkring belønningsstedet. Dette tyder på, at ændringer i rumlige signaler kan føre til adaptiv reorganisering og aktivitet af hippocampale neuroner."

Dr. Christine Grienberger, adjunkt, Brandeis Universitet

Neurovidenskab e-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en kopi i dag

Dette eksperimentelle paradigme gjorde det muligt for forskere at undersøge, hvordan ændringer i rumlige signaler former pattedyrshjernen til at producere adaptiv ny adfærd.

I mere end 70 år dominerede hebbisk teori, i daglig tale opsummeret som "neuroner, der fyrer sammen, kobler sammen," neuroforskeres syn på, hvordan synapser vokser sig stærkere eller svagere over tid. Selvom denne velstuderede teori danner grundlag for adskillige fremskridt inden for neurovidenskab, har den nogle begrænsninger. I 2017 opdagede forskere i Magee-laboratoriet en ny og kraftfuld type synaptisk plasticitet - Behavioural Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) - der overvinder disse begrænsninger og giver en model, der bedst efterligner tidsskalaen for, hvordan vi lærer eller husker relaterede begivenheder i det virkelige liv.

Ved at bruge det nye eksperimentelle paradigme fandt Dr. Grienberger ud af, at tidligere tavse stedcelle-neuroner i anden fase pludselig erhvervede store pladsfelter i en enkelt runde, efter at belønningsstedet var blevet etableret. Dette fund er i overensstemmelse med en ikke-hebisk form for synaptisk plasticitet og læring. Yderligere eksperimenter bekræftede, at de observerede adaptive ændringer i hippocampuscellerne og adfærden hos disse mus faktisk skyldtes BTSP.

Den entorhinale cortex instruerer hippocampale stedceller, hvordan de skal reagere på rumlige ændringer

Baseret på tidligere undersøgelser vidste Magee-teamet, at BTSP involverer et instruktivt/overvågningssignal, der ikke nødvendigvis er inden for eller ved siden af ​​de aktiverede målneuroner (i dette tilfælde cellerne på hippocampusstedet). For at identificere oprindelsen af ​​dette instruktionssignal undersøgte de de aksonale projektioner af en nærliggende hjerneregion kaldet den entorhinale cortex (EC), som innerverer hippocampus og fungerer som en gateway mellem hippocampus og neokortikale regioner, der kontrollerer højere udøvende/beslutningsprocesser.

"Vi fandt ud af, at målrettet hæmning af en undergruppe af EC-axoner, som innerverer de CA1 hippocampale neuroner, hvorfra vi optog, forhindrede udviklingen af ​​CA1-belønningsoverrepræsentationer i hjernen," sagde Dr. Magee.

Baseret på flere undersøgelseslinjer konkluderede de, at den entorhinale cortex giver et relativt invariant målinstruktionssignal, der instruerer hippocampus til at omorganisere placeringen og aktiviteten af ​​stedceller, hvilket igen påvirker dyrets adfærd.

"Opdagelsen af, at en del af hjernen (entorhinal kompleks) kan instruere en anden hjerneregion (hippocampus) til at ændre positionen og aktiviteten af ​​dens neuroner (stedceller) er en ekstraordinær opdagelse inden for neurovidenskab," tilføjede Dr. Magee. "Det ændrer fuldstændig vores syn på, hvordan læringsafhængige ændringer opstår i hjernen og afslører nye muligheder, der vil transformere og guide vores tilgang til neurologiske og neurodegenerative sygdomme i fremtiden."

Denne undersøgelse blev finansieret af Howard Hughes Medical Institute, Cullen Foundation og Jan og Dan Duncan Neurological Research Institute på Texas Children's Hospital.

Kilde:

Texas Børnehospital

Reference:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinal cortex kontrollerer læringsrelaterede ændringer i CA1-repræsentationer. Natur. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.