Štúdia odhaľuje novú vzdelávaciu úlohu pre entorinálny kortex

Štúdia odhaľuje novú vzdelávaciu úlohu pre entorinálny kortex

Dlhodobou otázkou v neurovede je, ako sa mozgy cicavcov (vrátane nášho) prispôsobujú vonkajšiemu prostrediu, informáciám a skúsenostiam. V štúdii zmeny paradigmy publikovanej v Nature výskumníci z Neurologického výskumného inštitútu Jana a Dana Duncanových (Duncan NRI) v Texaskej detskej nemocnici a Baylor College of Medicine objavili mechanické kroky, ktoré sú základom nového typu synaptickej plasticity nazývanej synaptická plasticita v časovom rozsahu správania (BTSP). Štúdia vedená Dr. Jeffrey Magee, profesorom na Baylor, ktorý je tiež Howard Hughes Medical Institute a výskumníkom Duncan NRI, ukazuje, ako entorinálny kortex (EC) vysiela poučné signály do hipokampu -; oblasť mozgu kritická pre priestorovú navigáciu, kódovanie pamäte a konsolidáciu; a inštruuje ho, aby špecificky reorganizoval umiestnenie a aktivitu konkrétnej podskupiny svojich neurónov, aby sa dosiahlo zmenené správanie v reakcii na jeho meniace sa prostredie a priestorové podnety.

Neuróny medzi sebou komunikujú prenosom elektrických signálov alebo chemikálií prostredníctvom spojení nazývaných synapsie. Synaptická plasticita sa vzťahuje na adaptívnu schopnosť týchto nervových spojení stať sa silnejšími alebo slabšími v priebehu času v priamej reakcii na zmeny v ich vonkajšom prostredí. Táto adaptívna schopnosť našich neurónov reagovať rýchlo a presne na vonkajšie signály je rozhodujúca pre naše prežitie a rast a tvorí neurochemický základ pre učenie a pamäť.

Mozgová aktivita a správanie zvieraťa sa rýchlo prispôsobuje priestorovým zmenám

Na identifikáciu mechanizmu, ktorý je základom schopnosti mozgu cicavcov adaptívne sa učiť, doktorka Christine Grienbergerová, postdoktorandská výskumníčka v laboratóriu Magee a vedúca autorka štúdie, merala aktivitu špecifickej skupiny buniek miesta, čo sú špecializované hipokampálne neuróny, ktoré vytvárajú a aktualizujú „mapy“ vonkajších prostredí. Na mozog týchto myší pripojila výkonný mikroskop a merala aktivitu týchto buniek, zatiaľ čo myši bežali na lineárnom bežeckom páse.

V počiatočnej fáze boli myši na toto experimentálne nastavenie zvyknuté a poloha odmeny (cukrovej vody) sa každým kolom menila. "V tejto fáze myši nepretržite bežali rovnakou rýchlosťou, zatiaľ čo neustále olizovali dráhu. To znamenalo, že bunky miesta v týchto myšiach vytvorili jednotný vzor dlaždíc," povedal Dr Grienberger, ktorý je v súčasnosti odborným asistentom na Brandeis University.

V ďalšej fáze pripojila odmenu na konkrétne miesto na trati spolu s niektorými vizuálnymi podnetmi na orientáciu myší a zmerala aktivitu rovnakej skupiny neurónov.

Videl som, že zmena miesta odmeny zmenila správanie týchto zvierat. Myši sa potom zastavili krátko pred bodom odmeny, aby ochutnali cukrovú vodu. A čo je ešte zaujímavejšie, túto zmenu správania sprevádzala zvýšená hustota a aktivita buniek okolo miesta odmeny. To naznačuje, že zmeny v priestorových podnetoch môžu viesť k adaptívnej reorganizácii a aktivite hipokampálnych neurónov.

Dr. Christine Grienberger, odborný asistent, Brandeis University

Elektronická kniha o neurovedách

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si kópiu ešte dnes

Táto experimentálna paradigma umožnila výskumníkom preskúmať, ako zmeny v priestorových podnetoch formujú mozog cicavcov, aby produkovali adaptívne nové správanie.

Viac ako 70 rokov dominovala v pohľade neurovedcov na to, ako synapsie časom silnejú alebo slabnú, Hebbova teória, hovorovo zhrnutá ako „neuróny, ktoré spolu pália, spájajú dohromady“. Hoci táto dobre preštudovaná teória tvorí základ pre viaceré pokroky v oblasti neurovedy, má určité obmedzenia. V roku 2017 výskumníci v laboratóriu Magee objavili nový a výkonný typ synaptickej plasticity – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – ktorý prekonáva tieto obmedzenia a poskytuje model, ktorý najlepšie napodobňuje časový rozsah toho, ako sa učíme alebo si pamätáme súvisiace udalosti v reálnom živote.

Pomocou novej experimentálnej paradigmy Dr. Grienberger zistil, že v druhej fáze predtým tiché bunkové neuróny náhle získali veľké polia miest v jedinom kole po tom, čo bolo stanovené miesto odmeny. Toto zistenie je v súlade s nehebbovskou formou synaptickej plasticity a učenia. Ďalšie experimenty potvrdili, že pozorované adaptívne zmeny v hipokampálnych bunkách a správaní týchto myší boli skutočne spôsobené BTSP.

Entorhinálny kortex dáva bunkám hipokampu pokyn, ako reagovať na priestorové zmeny

Na základe predchádzajúcich štúdií tím Magee vedel, že BTSP zahŕňa inštruktážny/monitorovací signál, ktorý nie je nevyhnutne v rámci alebo v susedstve aktivovaných cieľových neurónov (v tomto prípade buniek hipokampálneho miesta). Na identifikáciu pôvodu tohto inštruktážneho signálu skúmali axonálne projekcie blízkej oblasti mozgu nazývanej entorinálny kortex (EC), ktorá inervuje hipokampus a pôsobí ako brána medzi hipokampom a neokortikálnymi oblasťami, ktoré riadia vyššie výkonné/rozhodovacie procesy.

„Zistili sme, že cielená inhibícia podskupiny EC axónov, ktoré inervujú hipokampálne neuróny CA1, z ktorých sme zaznamenali, zabránila rozvoju nadmerného zastúpenia odmeny CA1 v mozgu,“ povedal Dr. Magee.

Na základe niekoľkých línií vyšetrovania dospeli k záveru, že entorinálny kortex poskytuje relatívne nemenný cieľový inštruktážny signál, ktorý inštruuje hipokampus, aby reorganizoval polohu a aktivitu buniek miesta, čo následne ovplyvňuje správanie zvieraťa.

„Objav, že jedna časť mozgu (entorinálny komplex) môže inštruovať inú oblasť mozgu (hipokampus), aby zmenila polohu a aktivitu svojich neurónov (umiestnených buniek), je mimoriadnym objavom v neurovede,“ dodal doktor Magee. "Úplne to mení náš pohľad na to, ako sa v mozgu vyskytujú zmeny závislé od učenia, a odhaľuje nové možnosti, ktoré v budúcnosti premenia a usmernia náš prístup k neurologickým a neurodegeneratívnym ochoreniam."

Táto štúdia bola financovaná lekárskym inštitútom Howarda Hughesa, Cullenovou nadáciou a Neurologickým výskumným ústavom Jana a Dana Duncanových v Texaskej detskej nemocnici.

Zdroj:

Texaská detská nemocnica

Referencia:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinálny kortex riadi zmeny súvisiace s učením v reprezentáciách CA1. Príroda. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.