Studija otkriva novu obrazovnu ulogu entorinalnog korteksa

Studija otkriva novu obrazovnu ulogu entorinalnog korteksa

Dugotrajno pitanje u neuroznanosti je kako se mozgovi sisavaca (uključujući i naš) prilagođavaju vanjskom okruženju, informacijama i iskustvima. U studiji o promjeni paradigme objavljenoj u časopisu Nature, istraživači s Instituta za neurološka istraživanja Jan and Dan Duncan (Duncan NRI) u Teksaškoj dječjoj bolnici i Baylor College of Medicine otkrili su mehaničke korake koji leže u osnovi nove vrste sinaptičke plastičnosti koja se naziva bihevioralna vremenska sinaptička plastičnost (BTSP). Studija koju je vodio dr. Jeffrey Magee, profesor na Bayloru koji je također istraživač na Medicinskom institutu Howard Hughes i Duncan NRI, pokazuje kako entorinalni korteks (EC) šalje instruktivne signale hipokampusu -; regija mozga kritična za prostornu navigaciju, kodiranje memorije i konsolidaciju; i upućuje ga da posebno reorganizira mjesto i aktivnost određenog podskupa svojih neurona kako bi postigao izmijenjeno ponašanje kao odgovor na promjenjivu okolinu i prostorne znakove.

Neuroni međusobno komuniciraju odašiljanjem električnih signala ili kemikalija putem veza koje se nazivaju sinapse. Sinaptička plastičnost odnosi se na sposobnost prilagodbe tih neuronskih veza da s vremenom postanu jače ili slabije kao izravni odgovor na promjene u njihovom vanjskom okruženju. Ova sposobnost prilagodbe naših neurona da brzo i točno reagiraju na vanjske signale ključna je za naš opstanak i rast te čini neurokemijsku osnovu za učenje i pamćenje.

Moždana aktivnost i ponašanje životinje brzo se prilagođava prostornim promjenama

Kako bi identificirala mehanizam na kojem se temelji sposobnost mozga sisavaca da uči adaptivno, dr. Christine Grienberger, postdoktorandica u laboratoriju Magee i glavna autorica studije, izmjerila je aktivnost specifične grupe stanica mjesta, koje su specijalizirani hipokampalni neuroni koji stvaraju i ažuriraju "karte" vanjskog okruženja. Pričvrstila je snažan mikroskop na mozgove tih miševa i mjerila aktivnost tih stanica dok su miševi trčali na linearnoj traci za trčanje.

U početnoj fazi, miševi su bili naviknuti na ovu eksperimentalnu postavu i položaj nagrade (šećerne vode) mijenjao se sa svakom rundom. "U ovoj fazi, miševi su stalno trčali istom brzinom dok su neprestano lizali stazu. To je značilo da su stanice u ovim miševima formirale jednoličan uzorak", rekao je dr. Grienberger, koji je trenutno docent na Sveučilištu Brandeis.

U sljedećoj fazi pričvrstila je nagradu na određeno mjesto na stazi zajedno s nekim vizualnim znakovima za orijentaciju miševa i izmjerila aktivnost iste skupine neurona.

Vidio sam da je promjena mjesta nagrađivanja promijenila ponašanje ovih životinja. Miševi su zatim stali malo prije nagradne točke kako bi kušali šećernu vodu. Što je još zanimljivije, ova promjena ponašanja bila je popraćena povećanom gustoćom i aktivnošću stanica oko mjesta nagrađivanja. To sugerira da promjene u prostornim znakovima mogu dovesti do adaptivne reorganizacije i aktivnosti neurona hipokampusa.”

Dr. Christine Grienberger, docentica, Sveučilište Brandeis

E-knjiga o neuroznanosti

Kompilacija najboljih intervjua, članaka i vijesti iz prošle godine. Preuzmite kopiju danas

Ova eksperimentalna paradigma omogućila je istraživačima da ispitaju kako promjene u prostornim znakovima oblikuju mozak sisavaca za stvaranje novih adaptivnih ponašanja.

Više od 70 godina, Hebbianova teorija, kolokvijalno sažeta kao "neuroni koji se aktiviraju zajedno, povezuju se zajedno", dominirala je gledištem neuroznanstvenika o tome kako sinapse s vremenom jačaju ili slabe. Iako ova dobro proučena teorija čini osnovu za nekoliko napredaka u polju neuroznanosti, ona ima neka ograničenja. Godine 2017. istraživači u laboratoriju Magee otkrili su novu i snažnu vrstu sinaptičke plastičnosti – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – koja nadilazi ta ograničenja i pruža model koji najbolje oponaša vremensku skalu načina na koji učimo ili pamtimo povezane događaje u stvarnom životu.

Koristeći novu eksperimentalnu paradigmu, dr. Grienberger je otkrio da su u drugoj fazi, prethodno tihi neuroni stanica naglo zauzeli velika polja mjesta u jednom krugu nakon što je uspostavljena lokacija nagrade. Ovo je otkriće u skladu s nehebbijanskim oblikom sinaptičke plastičnosti i učenja. Dodatni eksperimenti potvrdili su da su uočene adaptivne promjene u hipokampalnim stanicama i ponašanju ovih miševa doista posljedica BTSP-a.

Entorinalni korteks daje upute stanicama hipokampusa kako da odgovore na prostorne promjene

Na temelju prethodnih studija, tim Magee je znao da BTSP uključuje instruktivni/nadzorni signal koji nije nužno unutar ili u blizini aktiviranih ciljnih neurona (u ovom slučaju, stanica hipokampalnog mjesta). Kako bi identificirali podrijetlo ovog instruktivnog signala, ispitali su aksonalne projekcije obližnje moždane regije koja se naziva entorhinalni korteks (EC), koja inervira hipokampus i djeluje kao prolaz između hipokampusa i neokortikalnih regija koje kontroliraju više izvršne procese/procese donošenja odluka.

"Otkrili smo da je ciljana inhibicija podskupa EC aksona koji inerviraju hipokampalne neurone CA1 iz kojih smo snimali spriječila razvoj pretjerane zastupljenosti nagrada CA1 u mozgu", rekao je dr. Magee.

Na temelju nekoliko linija istraživanja, zaključili su da entorhinalni korteks daje relativno nepromjenjiv ciljni instruktivni signal koji upućuje hipokampus da reorganizira položaj i aktivnost stanica mjesta, što zauzvrat utječe na ponašanje životinje.

"Otkriće da jedan dio mozga (entorinalni kompleks) može uputiti drugu regiju mozga (hipokampus) da promijeni položaj i aktivnost svojih neurona (smjesti stanice) je izvanredno otkriće u neuroznanosti", dodao je dr. Magee. "To u potpunosti mijenja naš pogled na to kako se promjene ovisne o učenju događaju u mozgu i otkriva nove mogućnosti koje će transformirati i voditi naš pristup neurološkim i neurodegenerativnim bolestima u budućnosti."

Ovu studiju financirali su Medicinski institut Howard Hughes, Zaklada Cullen i Institut za neurološka istraživanja Jan i Dan Duncan u Teksaškoj dječjoj bolnici.

Izvor:

Teksaška dječja bolnica

Referenca:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorinalni korteks kontrolira promjene povezane s učenjem u prikazima CA1. Priroda. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.