Badanie ujawnia nową rolę edukacyjną kory śródwęchowej

Badanie ujawnia nową rolę edukacyjną kory śródwęchowej

W neurologii od dawna zadawane jest pytanie, w jaki sposób mózgi ssaków (w tym nasz) przystosowują się do środowiska zewnętrznego, informacji i doświadczeń. W badaniu zmieniającym paradygmat opublikowanym w Nature naukowcy z Instytutu Badań Neurologicznych Jana i Dana Duncanów (Duncan NRI) w Texas Children's Hospital i Baylor College of Medicine odkryli mechanistyczne etapy leżące u podstaw nowego typu plastyczności synaptycznej zwanej behawioralną plastycznością synaptyczną w skali czasu (BTSP). Badanie prowadzone przez dr Jeffreya Magee, profesora w Baylor, który jest także pracownikiem Instytutu Medycznego Howarda Hughesa i badaczem Duncana NRI, pokazuje, w jaki sposób kora śródwęchowa (EC) wysyła pouczające sygnały do ​​hipokampu: obszar mózgu krytyczny dla nawigacji przestrzennej, kodowania i konsolidacji pamięci; i instruuje go, aby konkretnie zreorganizował lokalizację i aktywność określonego podzbioru neuronów, aby osiągnąć zmienione zachowanie w odpowiedzi na zmieniające się środowisko i sygnały przestrzenne.

Neurony komunikują się ze sobą, przesyłając sygnały elektryczne lub substancje chemiczne za pośrednictwem połączeń zwanych synapsami. Plastyczność synaptyczna odnosi się do zdolności adaptacyjnej tych połączeń neuronowych do stawania się z czasem silniejszym lub słabszym w bezpośredniej reakcji na zmiany w ich środowisku zewnętrznym. Ta adaptacyjna zdolność naszych neuronów do szybkiego i dokładnego reagowania na sygnały zewnętrzne ma kluczowe znaczenie dla naszego przetrwania i wzrostu oraz tworzy neurochemiczną podstawę uczenia się i pamięci.

Aktywność i zachowanie mózgu zwierzęcia szybko dostosowują się do zmian przestrzennych

Aby zidentyfikować mechanizm leżący u podstaw zdolności mózgu ssaków do adaptacyjnego uczenia się, dr Christine Grienberger, badaczka ze stopniem doktora w laboratorium Magee i główna autorka badania, zmierzyła aktywność określonej grupy komórek miejsca, które są wyspecjalizowanymi neuronami hipokampa, które tworzą i aktualizują „mapy” środowisk zewnętrznych. Przymocowała potężny mikroskop do mózgów tych myszy i mierzyła aktywność tych komórek, podczas gdy myszy biegały po bieżni liniowej.

W początkowej fazie myszy przyzwyczajano do tej konfiguracji eksperymentu, a położenie nagrody (woda z cukrem) zmieniało się z każdą rundą. „W tej fazie myszy biegały z tą samą prędkością, ciągle liżąc ślad. Oznaczało to, że komórki miejsca u tych myszy utworzyły jednolity wzór płytek” – powiedział dr Grienberger, który jest obecnie adiunktem na Uniwersytecie Brandeis.

W następnej fazie przymocowała nagrodę do określonego miejsca na torze wraz z pewnymi wskazówkami wizualnymi, aby zorientować myszy i zmierzyć aktywność tej samej grupy neuronów.

Widziałem, że zmiana lokalizacji nagrody zmieniła zachowanie tych zwierząt. Następnie myszy zatrzymały się na krótko przed punktem nagrody, aby spróbować wody z cukrem. Co jeszcze ciekawsze, tej zmianie zachowania towarzyszyła zwiększona gęstość i aktywność komórek wokół miejsca nagrody. Sugeruje to, że zmiany w sygnałach przestrzennych mogą prowadzić do adaptacyjnej reorganizacji i aktywności neuronów hipokampa”.

Dr Christine Grienberger, adiunkt, Uniwersytet Brandeis

Książka elektroniczna Neuronauka

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz kopię już dziś

Ten eksperymentalny paradygmat umożliwił badaczom zbadanie, w jaki sposób zmiany w sygnałach przestrzennych kształtują mózg ssaków w celu wytworzenia nowych, adaptacyjnych zachowań.

Przez ponad 70 lat teoria Hebbiana, potocznie podsumowywana jako „neurony, które razem uruchamiają się, łączą się ze sobą”, dominowała w poglądach neuronaukowców na temat tego, jak synapsy z biegiem czasu stają się silniejsze lub słabsze. Chociaż ta dobrze zbadana teoria stanowi podstawę dla kilku postępów w dziedzinie neuronauki, ma pewne ograniczenia. W 2017 roku naukowcy z laboratorium Magee odkryli nowy i potężny typ plastyczności synaptycznej – behawioralną plastyczność synaptyczną w skali czasu (BTSP), który pokonuje te ograniczenia i zapewnia model najlepiej naśladujący skalę czasową tego, jak uczymy się lub zapamiętujemy powiązane zdarzenia w prawdziwym życiu.

Korzystając z nowego paradygmatu eksperymentalnego, dr Grienberger odkrył, że w drugiej fazie, wcześniej ciche neurony komórkowe miejsca nagle uzyskały duże pola miejsca w jednej rundzie, po ustaleniu lokalizacji nagrody. Odkrycie to jest zgodne z niehebbowską formą plastyczności synaptycznej i uczenia się. Dodatkowe eksperymenty potwierdziły, że zaobserwowane zmiany adaptacyjne w komórkach hipokampa i zachowaniu tych myszy rzeczywiście wynikały z BTSP.

Kora śródwęchowa instruuje komórki miejsca hipokampa, jak reagować na zmiany przestrzenne

Na podstawie wcześniejszych badań zespół Magee wiedział, że BTSP obejmuje sygnał pouczający/monitorujący, który niekoniecznie znajduje się w aktywowanych neuronach docelowych lub w ich sąsiedztwie (w tym przypadku komórek hipokampa). Aby zidentyfikować pochodzenie tego sygnału instruktażowego, zbadali projekcje aksonalne pobliskiego obszaru mózgu zwanego korą śródwęchową (EC), który unerwia hipokamp i działa jako brama między hipokampem a obszarami kory nowej, które kontrolują wyższe procesy wykonawcze/decyzyjne.

„Odkryliśmy, że ukierunkowane hamowanie podzbioru aksonów EC unerwiających neurony hipokampa CA1, które zarejestrowaliśmy, zapobiega rozwojowi nadreprezentacji nagrody CA1 w mózgu” – mówi dr Magee.

Na podstawie kilku kierunków badań doszli do wniosku, że kora śródwęchowa dostarcza stosunkowo niezmienny docelowy sygnał instruktażowy, który instruuje hipokamp, ​​aby zreorganizował położenie i aktywność komórek miejsca, co z kolei wpływa na zachowanie zwierzęcia.

„Odkrycie, że jedna część mózgu (kompleks śródwęchowy) może instruować inny obszar mózgu (hipokamp), aby zmienił położenie i aktywność swoich neuronów (komórek miejsca), jest niezwykłym odkryciem w neurologii” – dodał dr Magee. „To całkowicie zmienia nasz pogląd na to, jak zachodzą w mózgu zmiany zależne od uczenia się i odkrywa nowe możliwości, które w przyszłości zmienią nasze podejście do chorób neurologicznych i neurodegeneracyjnych i ukierunkowują je”.

Badanie to zostało sfinansowane przez Instytut Medyczny Howarda Hughesa, Fundację Cullen oraz Instytut Badań Neurologicznych Jana i Dana Duncanów w Szpitalu Dziecięcym w Teksasie.

Źródło:

Szpital Dziecięcy w Teksasie

Odniesienie:

Grienberger, C i Magee, JC, (2022) Kora śródwęchowa kontroluje zmiany związane z uczeniem się w reprezentacjach CA1. Natura. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.