Η μελέτη αποκαλύπτει έναν νέο εκπαιδευτικό ρόλο για τον ενδορινικό φλοιό

Η μελέτη αποκαλύπτει έναν νέο εκπαιδευτικό ρόλο για τον ενδορινικό φλοιό

Ένα μακροχρόνιο ερώτημα στη νευροεπιστήμη είναι πώς οι εγκέφαλοι των θηλαστικών (συμπεριλαμβανομένου του δικού μας) προσαρμόζονται σε εξωτερικά περιβάλλοντα, πληροφορίες και εμπειρίες. Σε μια μελέτη που αλλάζει το παράδειγμα που δημοσιεύτηκε στο Nature, ερευνητές στο Νευρολογικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Jan and Dan Duncan (Duncan NRI) στο Texas Children's Hospital και το Baylor College of Medicine ανακάλυψαν τα μηχανιστικά βήματα που κρύβονται πίσω από έναν νέο τύπο συναπτικής πλαστικότητας που ονομάζεται συμπεριφορική συναπτική πλαστικότητα χρονικής κλίμακας (BTSP). Η μελέτη με επικεφαλής τον Δρ. Jeffrey Magee, καθηγητή στο Baylor, ο οποίος είναι επίσης ερευνητής Howard Hughes Medical Institute και Duncan NRI, δείχνει πώς ο ενδορινικός φλοιός (EC) στέλνει διδακτικά σήματα στον ιππόκαμπο. την περιοχή του εγκεφάλου που είναι κρίσιμη για χωρική πλοήγηση, κωδικοποίηση μνήμης και ενοποίηση· και του δίνει οδηγίες να αναδιοργανώσει συγκεκριμένα τη θέση και τη δραστηριότητα ενός συγκεκριμένου υποσυνόλου των νευρώνων του για να επιτύχει αλλαγμένη συμπεριφορά ως απόκριση στο μεταβαλλόμενο περιβάλλον και τα χωρικά του στοιχεία.

Οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους μεταδίδοντας ηλεκτρικά σήματα ή χημικές ουσίες μέσω συνδέσεων που ονομάζονται συνάψεις. Η συναπτική πλαστικότητα αναφέρεται στην προσαρμοστική ικανότητα αυτών των νευρικών συνδέσεων να γίνονται ισχυρότερες ή πιο αδύναμες με την πάροδο του χρόνου ως άμεση απόκριση στις αλλαγές στο εξωτερικό τους περιβάλλον. Αυτή η προσαρμοστική ικανότητα των νευρώνων μας να ανταποκρίνονται γρήγορα και με ακρίβεια σε εξωτερικά σήματα είναι κρίσιμη για την επιβίωση και την ανάπτυξή μας και αποτελεί τη νευροχημική βάση για τη μάθηση και τη μνήμη.

Η εγκεφαλική δραστηριότητα και η συμπεριφορά ενός ζώου προσαρμόζονται γρήγορα στις χωρικές αλλαγές

Για να προσδιορίσει τον μηχανισμό που διέπει την ικανότητα του εγκεφάλου των θηλαστικών να μαθαίνει προσαρμοστικά, η Δρ. Christine Grienberger, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο Magee και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, μέτρησε τη δραστηριότητα μιας συγκεκριμένης ομάδας κυττάρων τόπου, που είναι εξειδικευμένοι νευρώνες του ιππόκαμπου που δημιουργούν και ενημερώνουν «χάρτες» εξωτερικών περιβαλλόντων. Τοποθέτησε ένα ισχυρό μικροσκόπιο στον εγκέφαλο αυτών των ποντικών και μέτρησε τη δραστηριότητα αυτών των κυττάρων ενώ τα ποντίκια έτρεχαν σε γραμμικό διάδρομο.

Στην αρχική φάση, τα ποντίκια ήταν συνηθισμένα σε αυτή την πειραματική διάταξη και η θέση της ανταμοιβής (ζαχαρόνερο) άλλαζε με κάθε γύρο. "Σε αυτή τη φάση, τα ποντίκια έτρεχαν συνεχώς με την ίδια ταχύτητα ενώ έγλειφαν συνεχώς την πίστα. Αυτό σήμαινε ότι τα κύτταρα του τόπου σε αυτά τα ποντίκια σχημάτιζαν ένα ομοιόμορφο σχέδιο πλακιδίων", είπε ο Δρ Grienberger, ο οποίος είναι επί του παρόντος επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Brandeis.

Στην επόμενη φάση, προσάρτησε την ανταμοιβή σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία στην πίστα μαζί με κάποιες οπτικές ενδείξεις για να προσανατολίσει τα ποντίκια και μέτρησε τη δραστηριότητα της ίδιας ομάδας νευρώνων.

Έχω δει ότι η αλλαγή της τοποθεσίας ανταμοιβής άλλαξε τη συμπεριφορά αυτών των ζώων. Στη συνέχεια, τα ποντίκια σταμάτησαν λίγο πριν το σημείο επιβράβευσης για να δοκιμάσουν το ζαχαρόνερο. Και ακόμη πιο ενδιαφέρον, αυτή η αλλαγή συμπεριφοράς συνοδεύτηκε από αυξημένη πυκνότητα και δραστηριότητα των κελιών του τόπου γύρω από την τοποθεσία ανταμοιβής. Αυτό υποδηλώνει ότι οι αλλαγές στα χωρικά σημάδια μπορούν να οδηγήσουν σε προσαρμοστική αναδιοργάνωση και δραστηριότητα των νευρώνων του ιππόκαμπου».

Δρ. Christine Grienberger, Επίκουρη Καθηγήτρια, Πανεπιστήμιο Brandeis

Ηλεκτρονικό βιβλίο νευροεπιστήμης

Συγκέντρωση των κορυφαίων συνεντεύξεων, άρθρων και ειδήσεων του περασμένου έτους. Κάντε λήψη ενός αντιγράφου σήμερα

Αυτό το πειραματικό παράδειγμα επέτρεψε στους ερευνητές να εξετάσουν πώς οι αλλαγές στα χωρικά σημάδια διαμορφώνουν τον εγκέφαλο των θηλαστικών για να παράγει προσαρμοστικές νέες συμπεριφορές.

Για περισσότερα από 70 χρόνια, η θεωρία Hebbian, που συνοψίζεται στην καθομιλουμένη ως «νευρώνες που πυροδοτούνται μαζί, συρματώνονται μαζί», κυριαρχούσε στην άποψη των νευροεπιστημόνων για το πώς οι συνάψεις γίνονται ισχυρότερες ή ασθενέστερες με την πάροδο του χρόνου. Αν και αυτή η καλά μελετημένη θεωρία αποτελεί τη βάση για αρκετές προόδους στον τομέα της νευροεπιστήμης, έχει ορισμένους περιορισμούς. Το 2017, ερευνητές στο εργαστήριο Magee ανακάλυψαν έναν νέο και ισχυρό τύπο συναπτικής πλαστικότητας – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – που ξεπερνά αυτούς τους περιορισμούς και παρέχει ένα μοντέλο που μιμείται καλύτερα τη χρονική κλίμακα του τρόπου με τον οποίο μαθαίνουμε ή θυμόμαστε σχετικά γεγονότα στην πραγματική ζωή.

Χρησιμοποιώντας το νέο πειραματικό παράδειγμα, ο Δρ. Γκρίενμπεργκερ διαπίστωσε ότι στη δεύτερη φάση, οι προηγουμένως σιωπηλοί κυτταρικοί νευρώνες απέκτησαν απότομα μεγάλα πεδία θέσης σε έναν μόνο γύρο μετά τον καθορισμό της θέσης ανταμοιβής. Αυτό το εύρημα είναι σύμφωνο με μια μη-Εμπιανή μορφή συναπτικής πλαστικότητας και μάθησης. Πρόσθετα πειράματα επιβεβαίωσαν ότι οι παρατηρούμενες προσαρμοστικές αλλαγές στα κύτταρα του ιππόκαμπου και στη συμπεριφορά αυτών των ποντικών οφείλονταν πράγματι στο BTSP.

Ο ενδορινικός φλοιός καθοδηγεί τα κύτταρα του ιππόκαμπου πώς να ανταποκρίνονται στις χωρικές αλλαγές

Με βάση προηγούμενες μελέτες, η ομάδα του Magee γνώριζε ότι το BTSP περιλαμβάνει ένα διδακτικό/παρακολουθητικό σήμα που δεν βρίσκεται απαραίτητα εντός ή δίπλα στους ενεργοποιημένους νευρώνες-στόχους (σε αυτή την περίπτωση, τα κύτταρα του ιππόκαμπου). Για να προσδιορίσουν την προέλευση αυτού του διδακτικού σήματος, εξέτασαν τις αξονικές προβολές μιας κοντινής περιοχής του εγκεφάλου που ονομάζεται ενδορινικός φλοιός (EC), ο οποίος νευρώνει τον ιππόκαμπο και λειτουργεί ως πύλη μεταξύ του ιππόκαμπου και των νεοφλοιωτικών περιοχών που ελέγχουν ανώτερες διεργασίες εκτελεστικής/λήψης αποφάσεων.

«Βρήκαμε ότι η στοχευμένη αναστολή μιας υποομάδας αξόνων EC που νευρώνουν τους νευρώνες του ιππόκαμπου CA1 από τους οποίους καταγράψαμε εμπόδισε την ανάπτυξη υπεραναπαραστάσεων ανταμοιβής CA1 στον εγκέφαλο», είπε ο Δρ Magee.

Βασισμένοι σε διάφορες γραμμές έρευνας, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο ενδορινικός φλοιός παρέχει ένα σχετικά αμετάβλητο σήμα εντολής στόχου που καθοδηγεί τον ιππόκαμπο να αναδιοργανώσει τη θέση και τη δραστηριότητα των κυττάρων του τόπου, κάτι που με τη σειρά του επηρεάζει τη συμπεριφορά του ζώου.

«Η ανακάλυψη ότι ένα μέρος του εγκεφάλου (εντορινικό σύμπλεγμα) μπορεί να δώσει εντολή σε μια άλλη περιοχή του εγκεφάλου (ιππόκαμπος) να αλλάξει τη θέση και τη δραστηριότητα των νευρώνων της (τοπικά κύτταρα) είναι μια εξαιρετική ανακάλυψη στη νευροεπιστήμη», πρόσθεσε ο Δρ Magee. «Αλλάζει εντελώς την άποψή μας για το πώς συμβαίνουν οι εξαρτώμενες από τη μάθηση αλλαγές στον εγκέφαλο και αποκαλύπτει νέες δυνατότητες που θα μεταμορφώσουν και θα καθοδηγήσουν την προσέγγισή μας στις νευρολογικές και νευροεκφυλιστικές ασθένειες στο μέλλον».

Αυτή η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes, το Ίδρυμα Cullen και το Νευρολογικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Jan and Dan Duncan στο Νοσοκομείο Παίδων του Τέξας.

Πηγή:

Νοσοκομείο Παίδων του Τέξας

Αναφορά:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Ο ενδορινικός φλοιός ελέγχει τις αλλαγές που σχετίζονται με τη μάθηση στις αναπαραστάσεις CA1. Φύση. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.