Studie avslöjar en ny pedagogisk roll för entorhinal cortex

Studie avslöjar en ny pedagogisk roll för entorhinal cortex

En långvarig fråga inom neurovetenskap är hur däggdjurshjärnor (inklusive vår) anpassar sig till yttre miljöer, information och upplevelser. I en paradigmskiftande studie publicerad i Nature har forskare vid Jan och Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) vid Texas Children's Hospital och Baylor College of Medicine upptäckt de mekanistiska stegen bakom en ny typ av synaptisk plasticitet som kallas beteendemässig tidsskala synaptisk plasticitet (BTSP). Studien ledd av Dr. Jeffrey Magee, professor vid Baylor som också är Howard Hughes Medical Institute och Duncan NRI-forskare, visar hur entorhinal cortex (EC) skickar instruktiva signaler till hippocampus -; hjärnregionen som är avgörande för rumslig navigering, minneskodning och konsolidering; och instruerar den att specifikt omorganisera platsen och aktiviteten för en viss delmängd av dess neuroner för att uppnå förändrat beteende som svar på dess föränderliga miljö och rumsliga signaler.

Neuroner kommunicerar med varandra genom att överföra elektriska signaler eller kemikalier genom anslutningar som kallas synapser. Synaptisk plasticitet hänvisar till den adaptiva förmågan hos dessa neurala anslutningar att bli starkare eller svagare med tiden som ett direkt svar på förändringar i deras yttre miljö. Denna anpassningsförmåga hos våra neuroner att reagera snabbt och exakt på externa signaler är avgörande för vår överlevnad och tillväxt och utgör den neurokemiska grunden för inlärning och minne.

Ett djurs hjärnaktivitet och beteende anpassar sig snabbt till rumsliga förändringar

För att identifiera mekanismen som ligger bakom däggdjurshjärnans förmåga att lära sig adaptivt, mätte Dr Christine Grienberger, en postdoktor i Magee-labbet och huvudförfattare till studien, aktiviteten hos en specifik grupp av platsceller, som är specialiserade hippocampala neuroner som skapar och uppdaterar "kartor" över yttre miljöer. Hon fäste ett kraftfullt mikroskop till hjärnan på dessa möss och mätte aktiviteten hos dessa celler medan mössen sprang på ett linjärt löpband.

I den inledande fasen var mössen vana vid denna experimentella uppställning och placeringen av belöningen (sockervatten) ändrades med varje omgång. "I den här fasen sprang mössen kontinuerligt i samma hastighet medan de kontinuerligt slickade banan. Detta innebar att platscellerna i dessa möss bildade ett enhetligt plattsättningsmönster", säger Dr Grienberger, som för närvarande är biträdande professor vid Brandeis University.

I nästa fas fäste hon belöningen till en specifik plats på banan tillsammans med några visuella ledtrådar för att orientera mössen och mätte aktiviteten hos samma grupp av neuroner.

Jag har sett att förändring av belöningsplatsen ändrade beteendet hos dessa djur. Mössen stannade sedan strax före belöningspunkten för att smaka på sockervattnet. Och ännu mer intressant, denna beteendeförändring åtföljdes av ökad täthet och aktivitet av platsceller runt belöningsplatsen. Detta tyder på att förändringar i rumsliga signaler kan leda till adaptiv omorganisation och aktivitet hos hippocampusneuroner."

Dr Christine Grienberger, biträdande professor, Brandeis University

Neurovetenskap e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en kopia idag

Detta experimentella paradigm gjorde det möjligt för forskare att undersöka hur förändringar i rumsliga signaler formar däggdjurshjärnan för att producera adaptiva nya beteenden.

I mer än 70 år dominerade den hebbiska teorin, allmänt sammanfattad som "neuroner som eldar tillsammans, kopplar ihop", neuroforskarnas syn på hur synapser växer sig starkare eller svagare över tiden. Även om denna väl studerade teori ligger till grund för flera framsteg inom området neurovetenskap, har den vissa begränsningar. Under 2017 upptäckte forskare i Magee-labbet en ny och kraftfull typ av synaptisk plasticitet – Behavioural Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – som övervinner dessa begränsningar och ger en modell som bäst efterliknar tidsskalan för hur vi lär oss eller minns relaterade händelser i verkliga livet.

Med hjälp av det nya experimentella paradigmet fann Dr. Grienberger att i den andra fasen, tidigare tysta platscellsneuroner plötsligt förvärvade stora platsfält i en enda omgång efter att belöningsplatsen hade fastställts. Detta fynd överensstämmer med en icke-hebisk form av synaptisk plasticitet och lärande. Ytterligare experiment bekräftade att de observerade adaptiva förändringarna i hippocampuscellerna och beteendet hos dessa möss verkligen berodde på BTSP.

Entorhinal cortex instruerar hippocampus platsceller hur de ska svara på rumsliga förändringar

Baserat på tidigare studier visste Magee-teamet att BTSP involverar en instruktiv/övervakningssignal som inte nödvändigtvis finns inom eller intill de aktiverade målneuronerna (i detta fall cellerna på hippocampusplatsen). För att identifiera ursprunget till denna instruktionssignal undersökte de de axonala projektionerna av en närliggande hjärnregion som kallas entorhinal cortex (EC), som innerverar hippocampus och fungerar som en inkörsport mellan hippocampus och neokortikala regioner som styr högre verkställande/beslutsprocesser.

"Vi fann att riktad hämning av en undergrupp av EC-axoner som innerverar CA1 hippocampus neuroner från vilka vi spelade in förhindrade utvecklingen av CA1-belöningsöverrepresentationer i hjärnan", säger Dr Magee.

Baserat på flera undersökningslinjer drog de slutsatsen att den entorhinala cortexen ger en relativt oföränderlig målinstruktionssignal som instruerar hippocampus att omorganisera platscellernas position och aktivitet, vilket i sin tur påverkar djurets beteende.

"Upptäckten att en del av hjärnan (entorhinal komplex) kan instruera en annan hjärnregion (hippocampus) att ändra positionen och aktiviteten av dess neuroner (platsceller) är en extraordinär upptäckt inom neurovetenskap," tillade Dr. Magee. "Det förändrar helt vår syn på hur inlärningsberoende förändringar sker i hjärnan och avslöjar nya möjligheter som kommer att förändra och vägleda vår strategi för neurologiska och neurodegenerativa sjukdomar i framtiden."

Denna studie finansierades av Howard Hughes Medical Institute, Cullen Foundation och Jan och Dan Duncans neurologiska forskningsinstitut vid Texas Children's Hospital.

Källa:

Texas barnsjukhus

Hänvisning:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinal cortex kontrollerar inlärningsrelaterade förändringar i CA1-representationer. Natur. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.