Študija razkriva novo izobraževalno vlogo entorhinalnega korteksa

Študija razkriva novo izobraževalno vlogo entorhinalnega korteksa

Dolgoletno vprašanje v nevroznanosti je, kako se možgani sesalcev (vključno z našimi) prilagajajo zunanjemu okolju, informacijam in izkušnjam. V študiji o spremembi paradigme, objavljeni v reviji Nature, so raziskovalci na Inštitutu za nevrološke raziskave Jan in Dan Duncan (Duncan NRI) v Teksaški otroški bolnišnici in Baylor College of Medicine odkrili mehanične korake, na katerih temelji nova vrsta sinaptične plastičnosti, imenovane vedenjska časovna sinaptična plastičnost (BTSP). Študija, ki jo je vodil dr. Jeffrey Magee, profesor na Baylorju, ki je tudi raziskovalec na medicinskem inštitutu Howard Hughes in Duncan NRI, kaže, kako entorhinalna skorja (EC) pošilja poučne signale v hipokampus -; možganska regija, ki je ključna za prostorsko navigacijo, kodiranje in konsolidacijo spomina; in ji naroči, naj specifično reorganizira lokacijo in aktivnost določene podskupine svojih nevronov, da doseže spremenjeno vedenje kot odgovor na spreminjajoče se okolje in prostorske znake.

Nevroni med seboj komunicirajo s prenosom električnih signalov ali kemikalij prek povezav, imenovanih sinapse. Sinaptična plastičnost se nanaša na prilagodljivo sposobnost teh nevronskih povezav, da sčasoma postanejo močnejše ali šibkejše kot neposreden odziv na spremembe v njihovem zunanjem okolju. Ta prilagodljiva sposobnost naših nevronov, da se hitro in natančno odzovejo na zunanje signale, je ključnega pomena za naše preživetje in rast ter tvori nevrokemično osnovo za učenje in spomin.

Možganska aktivnost in vedenje živali se hitro prilagodi prostorskim spremembam

Za identifikacijo mehanizma, na katerem temelji sposobnost možganov sesalcev, da se prilagajajo, je dr. Christine Grienberger, podoktorska raziskovalka v laboratoriju Magee in vodilna avtorica študije, izmerila aktivnost specifične skupine mestnih celic, ki so specializirani hipokampalni nevroni, ki ustvarjajo in posodabljajo »zemljevide« zunanjih okolij. Na možgane teh miši je pritrdila močan mikroskop in izmerila aktivnost teh celic, medtem ko so miši tekle na linearni tekalni stezi.

V začetni fazi so bile miši navajene na to eksperimentalno postavitev in položaj nagrade (sladkorna voda) je bil spremenjen z vsakim krogom. "V tej fazi so miši nenehno tekle z enako hitrostjo, medtem ko so nenehno lizale stezo. To je pomenilo, da so celice v teh miših oblikovale enoten vzorec ploščic," je povedal dr. Grienberger, ki je trenutno docent na univerzi Brandeis.

V naslednji fazi je nagrado pritrdila na določeno lokacijo na stezi skupaj z nekaj vizualnimi znaki za orientacijo miši in izmerila aktivnost iste skupine nevronov.

Videl sem, da je sprememba lokacije nagrajevanja spremenila vedenje teh živali. Miši so se nato ustavile malo pred nagradno točko, da bi okusile sladko vodo. In kar je še bolj zanimivo, to vedenjsko spremembo je spremljala povečana gostota in aktivnost mestnih celic okoli nagradnega mesta. To nakazuje, da lahko spremembe v prostorskih znakih vodijo do adaptivne reorganizacije in aktivnosti hipokampalnih nevronov.

Dr. Christine Grienberger, docentka, Univerza Brandeis

E-knjiga o nevroznanosti

Zbirka najboljših intervjujev, člankov in novic zadnjega leta. Prenesite kopijo še danes

Ta eksperimentalna paradigma je raziskovalcem omogočila, da preučijo, kako spremembe v prostorskih znakih oblikujejo možgane sesalcev za ustvarjanje novih prilagodljivih vedenj.

Več kot 70 let je Hebbova teorija, pogovorno povzeta kot "nevroni, ki se sprožijo skupaj, povezujejo skupaj", prevladovala v pogledih nevroznanstvenikov na to, kako se sinapse sčasoma krepijo ali slabijo. Čeprav je ta dobro raziskana teorija podlaga za več napredkov na področju nevroznanosti, ima nekaj omejitev. Leta 2017 so raziskovalci v laboratoriju Magee odkrili novo in zmogljivo vrsto sinaptične plastičnosti – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) –, ki presega te omejitve in zagotavlja model, ki najbolje posnema časovni okvir, kako se učimo ali spominjamo povezanih dogodkov v resničnem življenju.

Z uporabo nove eksperimentalne paradigme je dr. Grienberger ugotovil, da so v drugi fazi prej tihi nevroni mestnih celic nenadoma pridobili velika polja mest v enem krogu, potem ko je bila določena lokacija nagrade. Ta ugotovitev je skladna z nehebovsko obliko sinaptične plastičnosti in učenja. Dodatni poskusi so potrdili, da so opažene prilagoditvene spremembe v celicah hipokampusa in obnašanje teh miši dejansko posledica BTSP.

Entorinalni korteks daje navodila hipokampalnim celicam, kako se odzvati na prostorske spremembe

Na podlagi prejšnjih študij je ekipa Magee vedela, da BTSP vključuje poučni/nadzorni signal, ki ni nujno znotraj ali v bližini aktiviranih ciljnih nevronov (v tem primeru celice hipokampusa). Da bi ugotovili izvor tega inštruktorskega signala, so pregledali aksonske projekcije bližnje možganske regije, imenovane entorhinalna skorja (EC), ki inervira hipokampus in deluje kot prehod med hipokampusom in neokortikalnimi regijami, ki nadzorujejo višje izvršne/odločevalne procese.

"Ugotovili smo, da je ciljna inhibicija podskupine aksonov EC, ki inervirajo CA1 hipokampalne nevrone, iz katerih smo zabeležili, preprečila razvoj prevelike zastopanosti nagrajevanja CA1 v možganih," je dejal dr. Magee.

Na podlagi več linij preiskave so ugotovili, da entorhinalni korteks zagotavlja relativno nespremenljiv signal ciljnih navodil, ki hipokampusu naroči, naj reorganizira položaj in aktivnost mestnih celic, kar posledično vpliva na vedenje živali.

"Odkritje, da lahko en del možganov (entorinalni kompleks) ukaže drugi možganski regiji (hipokampusu), da spremeni položaj in aktivnost svojih nevronov (postavi celice), je izjemno odkritje v nevroznanosti," je dodal dr. Magee. "Popolnoma spremeni naš pogled na to, kako se v možganih dogajajo od učenja odvisne spremembe, in razkrije nove možnosti, ki bodo preoblikovale in usmerjale naš pristop k nevrološkim in nevrodegenerativnim boleznim v prihodnosti."

To študijo so financirali Medicinski inštitut Howard Hughes, fundacija Cullen ter Inštitut za nevrološke raziskave Jan in Dan Duncan pri otroški bolnišnici v Teksasu.

Vir:

Teksaška otroška bolnišnica

Referenca:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinalni korteks nadzoruje z učenjem povezane spremembe v predstavitvah CA1. Narava. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.