Tutkimus paljastaa entorinaalisen aivokuoren uuden kasvatuksellisen roolin

Tutkimus paljastaa entorinaalisen aivokuoren uuden kasvatuksellisen roolin

Neurotieteiden pitkäaikainen kysymys on, kuinka nisäkkäiden aivot (mukaan lukien meidän) mukautuvat ulkoisiin ympäristöihin, tietoihin ja kokemuksiin. Nature-lehdessä julkaistussa paradigmaa muuttavassa tutkimuksessa Texasin lastensairaalan Jan ja Dan Duncanin neurologisen tutkimuslaitoksen (Duncan NRI) ja Baylor College of Medicinen tutkijat ovat havainneet mekanistiset vaiheet, jotka ovat uudentyyppisen synaptisen plastisuuden taustalla, jota kutsutaan käyttäytymisaikataulun synaptiseksi plastisuudeksi (BTSP). Tohtori Jeffrey Magee, Baylorin professori, joka on myös Howard Hughes Medical Institute ja Duncanin NRI-tutkija, johtama tutkimus osoittaa, kuinka entorhinaalinen aivokuori (EC) lähettää opettavia signaaleja hippokampukseen -; aivoalue, joka on kriittinen avaruudellisen navigoinnin, muistin koodauksen ja konsolidoinnin kannalta; ja käskee sitä erityisesti järjestämään uudelleen tietyn hermosolujen osajoukon sijainnin ja toiminnan saavuttaakseen muuttuneen käyttäytymisen vastauksena sen muuttuvaan ympäristöön ja spatiaalisiin vihjeisiin.

Neuronit kommunikoivat keskenään lähettämällä sähköisiä signaaleja tai kemikaaleja synapseiksi kutsuttujen yhteyksien kautta. Synaptinen plastisuus viittaa näiden hermoyhteyksien mukautuvaan kykyyn vahvistua tai heiketä ajan myötä suoraan vasteena ulkoisen ympäristönsä muutoksiin. Tämä neuroniemme mukautuva kyky reagoida nopeasti ja tarkasti ulkoisiin signaaleihin on kriittinen selviytymisellemme ja kasvullemme, ja se muodostaa neurokemiallisen perustan oppimiselle ja muistille.

Eläimen aivotoiminta ja käyttäytyminen mukautuvat nopeasti tilan muutoksiin

Tohtori Christine Grienberger, Magee-laboratorion tutkijatohtori ja tutkimuksen johtava kirjoittaja, mittasi tietyn paikkasolujen ryhmän aktiivisuuden tunnistaakseen mekanismin, joka on taustalla nisäkkään aivojen kyvylle oppia mukautuvasti. Hän kiinnitti näiden hiirten aivoihin tehokkaan mikroskoopin ja mittasi näiden solujen aktiivisuuden hiiret juoksivat lineaarisella juoksumatolla.

Alkuvaiheessa hiiret tottuivat tähän kokeelliseen asetelmaan ja palkinnon (sokeriveden) sijaintia vaihdettiin jokaisella kierroksella. "Tässä vaiheessa hiiret juoksivat jatkuvasti samalla nopeudella samalla kun nuolivat jatkuvasti radaa. Tämä tarkoitti, että näiden hiirten paikkasolut muodostivat yhtenäisen laatoituskuvion", sanoi tohtori Grienberger, joka on tällä hetkellä apulaisprofessori Brandeisin yliopistossa.

Seuraavassa vaiheessa hän kiinnitti palkinnon tiettyyn paikkaan radalla yhdessä visuaalisten vihjeiden kanssa hiirten suuntaamiseksi ja mittasi saman hermosoluryhmän aktiivisuuden.

Olen nähnyt, että palkintopaikan muuttaminen muutti näiden eläinten käyttäytymistä. Sitten hiiret pysähtyivät vähän ennen palkintopistettä maistamaan sokerivettä. Ja mikä vielä mielenkiintoisempaa, tähän käyttäytymismuutokseen liittyi lisääntynyt paikkasolujen tiheys ja aktiivisuus palkintopaikan ympärillä. Tämä viittaa siihen, että muutokset spatiaalisissa vihjeissä voivat johtaa aivotursohermosolujen adaptiiviseen uudelleenorganisoitumiseen ja toimintaan.

Dr. Christine Grienberger, apulaisprofessori, Brandeis University

Neurotieteen e-kirja

Kokoelma viime vuoden huippuhaastatteluista, artikkeleista ja uutisista. Lataa kopio tänään

Tämä kokeellinen paradigma antoi tutkijoille mahdollisuuden tutkia, kuinka muutokset avaruudellisissa vihjeissä muokkaavat nisäkkään aivoja tuottamaan mukautuvia uusia käyttäytymismalleja.

Yli 70 vuoden ajan hebbian teoria, jota puhekielessä tiivistetään "neuroneiksi, jotka palavat yhdessä, johdattelevat yhteen", hallitsi neurotieteilijöiden näkemystä siitä, kuinka synapsit vahvistuvat tai heikkenevät ajan myötä. Vaikka tämä hyvin tutkittu teoria muodostaa perustan useille edistysaskeleille neurotieteen alalla, sillä on joitain rajoituksia. Vuonna 2017 Magee-laboratorion tutkijat löysivät uuden ja tehokkaan synaptisen plastisuuden tyypin – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – joka voittaa nämä rajoitukset ja tarjoaa mallin, joka jäljittelee parhaiten ajan mittakaavaa, kuinka opimme tai muistamme liittyviä tapahtumia tosielämässä.

Uutta kokeellista paradigmaa käyttäen tohtori Grienberger havaitsi, että toisessa vaiheessa aiemmin hiljaiset paikkasolun neuronit saivat äkillisesti suuria paikkakenttiä yhdellä kierroksella sen jälkeen, kun palkintosijainti oli määritetty. Tämä havainto on yhdenmukainen synaptisen plastisuuden ja oppimisen ei-hebbilaisen muodon kanssa. Lisäkokeet vahvistivat, että havaitut mukautuvat muutokset hippokampuksen soluissa ja näiden hiirten käyttäytymisessä johtuivat todellakin BTSP:stä.

Entorhinaalinen aivokuori ohjaa aivotursopaikan soluja reagoimaan tilamuutoksiin

Aiempien tutkimusten perusteella Magee-tiimi tiesi, että BTSP sisältää opettavan/seurantasignaalin, joka ei välttämättä ole aktivoituneiden kohdeneuronien sisällä tai niiden vieressä (tässä tapauksessa aivotursoalueen solut). Tämän ohjesignaalin alkuperän tunnistamiseksi he tutkivat läheisen aivoalueen aksonaalisia projektioita, nimeltään entorhinal cortex (EC), joka hermottaa hippokampusta ja toimii porttina hippokampuksen ja korkeampia toimeenpano-/päätöksentekoprosesseja ohjaavien neokortikaalialueiden välillä.

"Huomasimme, että CA1-hippokampuksen hermosoluja hermottavan EC-aksonien osajoukon kohdennettu esto esti CA1-palkkion yliedustusten kehittymisen aivoissa", sanoi tohtori Magee.

Useiden tutkimuslinjojen perusteella he päättelivät, että entorinaalinen aivokuori tarjoaa suhteellisen muuttumattoman kohdeohjesignaalin, joka ohjaa aivotursoa järjestämään uudelleen paikkasolujen aseman ja toiminnan, mikä puolestaan ​​​​vaikuttaa eläimen käyttäytymiseen.

"Havainto, että yksi aivojen osa (entorinaalinen kompleksi) voi ohjata toista aivoaluetta (hippokampusta) muuttamaan hermosolujensa (paikkasolujen) sijaintia ja toimintaa, on poikkeuksellinen löytö neurotieteessä", lisäsi tohtori Magee. "Se muuttaa täysin näkemyksemme oppimisesta riippuvaisten muutosten tapahtumisesta aivoissa ja paljastaa uusia mahdollisuuksia, jotka muuttavat ja ohjaavat lähestymistapaamme neurologisiin ja hermostoa rappeutuviin sairauksiin tulevaisuudessa."

Tätä tutkimusta rahoittivat Howard Hughes Medical Institute, Cullen Foundation ja Jan ja Dan Duncanin neurologinen tutkimuslaitos Texasin lastensairaalassa.

Lähde:

Texasin lastensairaala

Viite:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinaalinen aivokuori ohjaa oppimiseen liittyviä muutoksia CA1-esityksissä. Luonto. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.