Tutkimus valaisee, kuinka uni ja valveillaolo säätelevät estäviä synapseja

Tutkimus valaisee, kuinka uni ja valveillaolo säätelevät estäviä synapseja

Hiirimallissa tutkijat ovat löytäneet uuden päivittäisen rytmin eräänlaisesta synapsista, joka vaimentaa aivojen toimintaa. Nämä inhiboivina synapseina tunnetut hermoyhteydet tasapainotetaan uudelleen, jotta voimme konsolidoida uutta tietoa pitkäaikaisiksi muistoiksi unen aikana. PLOS Biology -lehdessä julkaistut havainnot voivat auttaa selittämään, kuinka hienovaraiset synaptiset muutokset parantavat ihmisten muistia. Tutkimusta johtivat tutkijat National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), osa National Institutes of Health.

Esto on tärkeä aivojen toiminnan kaikilla osa-alueilla. Mutta yli kahden vuosikymmenen ajan useimmat unitutkimukset ovat keskittyneet kiihottavien synapsien ymmärtämiseen. Tämä on ensimmäinen tutkimus, jossa yritetään ymmärtää, kuinka uni ja valveillaolo säätelevät estäviä synapseja.

Tri Wei Lu, NINDS:n päätutkija

Tutkimuksessa tohtori Kunwei Wu, tohtori Lu:n laboratoriossa, tutkii, mitä tapahtuu hiirten estävissä synapseissa unen ja hereillä ollessa. Sähköiset tallenteet neuroneista aivotursossa – muistin muodostumiselle tärkeällä aivoalueella – paljastivat aiemmin huomaamattoman toimintamallin. Valvonnan aikana tasainen "toninen" estävä aktiivisuus lisääntyi, kun taas nopea "faasinen" esto väheni. He havaitsivat myös, että valveilla olevien hiirten hermosolujen inhiboivien sähkövasteiden tehostaminen on paljon voimakkaampaa, mikä viittaa siihen, että valveillaolo, mutta ei uni, saattaa vahvistaa näitä synapseja enemmän.

Estävät neuronit käyttävät välittäjäainetta gamma-aminovoihappoa (GABA) vähentämään hermoston aktiivisuutta. Inhiboivissa synapseissa nämä neuronit vapauttavat GABA-molekyylejä synaptiseen rakoon, hermosolujen väliseen tilaan, jossa välittäjäaineet diffundoituvat. Molekyylit sitoutuvat tyypin A GABA (GABAA) -reseptoreihin viereisten kiihottavien hermosolujen pinnalla, mikä tekee niistä vähemmän todennäköisempää.

Lisäkokeet osoittivat, että α5-GABAA-reseptorien lisääntynyt määrä johtui synaptisista muutoksista hereillä ollessa. Kun reseptorit estettiin hereillä olevilla hiirillä, aktiivisuudesta riippuvainen faasisten sähkövasteiden tehostuminen väheni. Tämä viittaa siihen, että GABAA-reseptorien kerääntyminen hereillä ollessa voi olla avaintekijä vahvempien, tehokkaampien inhiboivien synapsien rakentamisessa, mikä on perustavanlaatuinen prosessi, joka tunnetaan synaptisena plastisuutena.

E-kirjan vasta-aineet

Kokoelma viime vuoden huippuhaastatteluista, artikkeleista ja uutisista. Lataa ilmainen kopio

"Kun opit uutta tietoa päivän aikana, hermosoluja pommitetaan kiihottavia signaaleja aivokuoresta ja monilta muilta aivoalueilta. Muuntaaksesi tämän tiedon muistiksi, sinun on ensin säädettävä ja jalostettava sitä - tässä esto tulee esiin", sanoi tohtori Lu.

Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että synaptisia muutoksia hippokampuksessa voivat ohjata signaalit, jotka tulevat inhiboivista interneuroneista, erikoistuneesta solutyypistä, joka muodostaa vain noin 10-20 % aivojen hermosoluista. Hippokampuksessa on yli 20 erilaista interneuronien alatyyppiä, mutta viimeaikaiset tutkimukset ovat tuoneet esiin kaksi tyyppiä, jotka tunnetaan nimellä parvalbumiini ja somatostatiini, jotka ovat kriittisesti mukana synapsien säätelyssä.

Tunnistaakseen, mikä interneuroni oli vastuussa havaitusta plastisuudesta, tohtori Lu:n työryhmä käytti optogenetiikkaa, tekniikkaa, joka käyttää valoa solujen kytkemiseen päälle tai pois päältä, ja havaitsi, että valveillaolo johti enemmän α5-GABAA-reseptoreihin ja vahvempiin parvalbumiiniyhdisteisiin, mutta ei somatostatiinin interneuroneihin.

Ihmisillä ja hiirillä on samanlaiset hermopiirit, jotka ovat muistin ja muiden olennaisten kognitiivisten prosessien taustalla. Tämä mekanismi voisi olla tapa estotuloille, joilla voidaan tarkasti ohjata neuronien ja kokonaisten aivoverkostojen välistä tiedon laskua ja virtaa.

"Esto on itse asiassa melko voimakas, koska se antaa aivoille mahdollisuuden toimia hienosäädetyllä tavalla, mikä on olennaisesti kaiken havainnon taustalla", sanoi tohtori Lu.

Koska esto on olennaista lähes kaikille aivotoiminnan osa-alueille, tämä tutkimus voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään uni-valveilujaksojen lisäksi myös neurologisia häiriöitä, jotka johtuvat epänormaaleista aivorytmeistä, kuten epilepsiasta.

Tulevaisuudessa tohtori Lu:n ryhmä tutkii GABAA-reseptorin kuljetuksen molekyylipohjaa inhiboiviin synapseihin.

Tätä tutkimusta tuki osittain NINDS:n Intramural Research Program.

Lähde:

National Institutes of Health

Viite:

Wu, K., et ai. (2022) Uni- ja herätyssyklit moduloivat dynaamisesti hippokampuksen estävää synaptista plastisuutta. PLOS-biologia. doi.org/10.1371/journal.pbio.3001812.

.