Onderzoek werpt licht op hoe slaap en waakzaamheid remmende synapsen reguleren

Onderzoek werpt licht op hoe slaap en waakzaamheid remmende synapsen reguleren

In een muismodel hebben onderzoekers een nieuw dagelijks ritme ontdekt in een soort synaps die de hersenactiviteit dempt. Deze neurale verbindingen, bekend als remmende synapsen, worden opnieuw in evenwicht gebracht, zodat we tijdens de slaap nieuwe informatie kunnen consolideren in langdurige herinneringen. De bevindingen, gepubliceerd in PLOS Biology, kunnen helpen verklaren hoe subtiele synaptische veranderingen het geheugen bij mensen verbeteren. De studie werd geleid door onderzoekers van het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), onderdeel van de National Institutes of Health.

Remming is belangrijk voor elk aspect van de hersenfunctie. Maar al meer dan twintig jaar richten de meeste slaapstudies zich op het begrijpen van prikkelende synapsen. Dit is de eerste studie die probeert te begrijpen hoe slaap en waakzaamheid remmende synapsen reguleren.”

Dr. Wei Lu, hoofdonderzoeker bij NINDS

In de studie onderzoekt Dr. Kunwei Wu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Lu, wat er gebeurt bij remmende synapsen tijdens slaap en waakzaamheid bij muizen. Elektrische opnames van neuronen in de hippocampus – een hersengebied dat belangrijk is voor geheugenvorming – onthulden een voorheen onopgemerkt activiteitspatroon. Tijdens het waken nam de gestage “tonische” remmende activiteit toe, terwijl de snelle “fasische” remming afnam. Ze vonden ook een veel sterkere activiteitsafhankelijke versterking van remmende elektrische reacties in neuronen van wakkere muizen, wat suggereert dat wakker zijn, maar niet slapen, deze synapsen meer zou kunnen versterken.

Remmende neuronen gebruiken de neurotransmitter gamma-aminoboterzuur (GABA) om de activiteit in het zenuwstelsel te verminderen. Bij remmende synapsen geven deze neuronen GABA-moleculen af ​​in de synaptische spleet, de ruimte tussen neuronen waar neurotransmitters diffunderen. De moleculen binden zich aan GABA type A (GABAA)-receptoren op het oppervlak van aangrenzende exciterende neuronen, waardoor de kans kleiner is dat ze vuren.

Verdere experimenten toonden aan dat de synaptische veranderingen tijdens het waken werden veroorzaakt door een groter aantal α5-GABAA-receptoren. Toen de receptoren bij wakkere muizen werden geblokkeerd, nam de activiteitsafhankelijke versterking van fasische elektrische reacties af. Dit suggereert dat de accumulatie van GABAA-receptoren tijdens het waken de sleutel kan zijn tot het opbouwen van sterkere, efficiëntere remmende synapsen, een fundamenteel proces dat bekend staat als synaptische plasticiteit.

E-boek antilichamen

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

"Terwijl je gedurende de dag nieuwe informatie leert, worden neuronen gebombardeerd met prikkelende signalen uit de cortex en vele andere delen van de hersenen. Om deze informatie in een geheugen om te zetten, moet je deze eerst reguleren en verfijnen - dit is waar remming om de hoek komt kijken", zei Dr. Lu.

Eerdere studies hebben aangetoond dat synaptische veranderingen in de hippocampus kunnen worden aangestuurd door signalen die afkomstig zijn van remmende interneuronen, een gespecialiseerd celtype dat slechts ongeveer 10-20% van de neuronen in de hersenen uitmaakt. Er zijn meer dan twintig verschillende subtypes van interneuronen in de hippocampus, maar recente onderzoeken hebben twee typen benadrukt, bekend als parvalbumine en somatostatine, die een cruciale rol spelen bij de regulatie van synapsen.

Om te identificeren welk interneuron verantwoordelijk was voor de waargenomen plasticiteit, gebruikte het team van Dr. Lu optogenetica, een techniek die licht gebruikt om cellen aan of uit te zetten, en ontdekte dat waakzaamheid leidde tot meer α5-GABAA-receptoren en sterkere verbindingen van parvalbumine, maar niet tot somatostatine, interneuronen.

Mensen en muizen delen vergelijkbare neurale circuits die ten grondslag liggen aan geheugenopslag en andere essentiële cognitieve processen. Dit mechanisme zou een manier kunnen zijn voor remmende input om de eb en vloed van informatie tussen neuronen en over hele hersennetwerken nauwkeurig te controleren.

"Remming is eigenlijk behoorlijk krachtig omdat het de hersenen in staat stelt op een nauwkeurig afgestemde manier te werken, wat in wezen ten grondslag ligt aan alle perceptie", aldus Dr. Lu.

Omdat remming essentieel is voor bijna elk aspect van de hersenfunctie, zou deze studie wetenschappers kunnen helpen niet alleen de slaap-waakcycli te begrijpen, maar ook neurologische aandoeningen die voortkomen uit abnormale hersenritmes, zoals epilepsie.

Voor de toekomst zal de groep van Dr. Lu de moleculaire basis van GABAA-receptortransport naar remmende synapsen onderzoeken.

Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door het Intramural Research Program van NINDS.

Bron:

Nationale gezondheidsinstituten

Referentie:

Wu, K., et al. (2022) Slaap- en waakcycli moduleren dynamisch de remmende synaptische plasticiteit van de hippocampus. PLOS-biologie. doi.org/10.1371/journal.pbio.3001812.

.