Badanie rzuca światło na sposób, w jaki sen i czuwanie regulują synapsy hamujące

Badanie rzuca światło na sposób, w jaki sen i czuwanie regulują synapsy hamujące

W modelu mysim naukowcy odkryli nowy rytm dobowy w pewnego rodzaju synapsach, który tłumi aktywność mózgu. Te połączenia neuronowe, zwane synapsami hamującymi, zostają przywrócone do równowagi, dzięki czemu możemy podczas snu konsolidować nowe informacje w długotrwałe wspomnienia. Odkrycia opublikowane w PLOS Biology mogą pomóc wyjaśnić, w jaki sposób subtelne zmiany synaptyczne poprawiają pamięć u ludzi. Badanie przeprowadzili naukowcy z Narodowego Instytutu Zaburzeń Neurologicznych i Udaru mózgu (NINDS), będącego częścią Narodowego Instytutu Zdrowia.

Hamowanie jest ważne dla każdego aspektu funkcjonowania mózgu. Jednak przez ponad dwie dekady większość badań nad snem skupiała się na zrozumieniu synaps pobudzających. To pierwsze badanie mające na celu próbę zrozumienia, w jaki sposób sen i czuwanie regulują synapsy hamujące”.

Dr Wei Lu, główny badacz w NINDS

W badaniu dr Kunwei Wu, pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium dr Lu, bada, co dzieje się w synapsach hamujących podczas snu i czuwania u myszy. Nagrania elektryczne neuronów w hipokampie – obszarze mózgu ważnym dla tworzenia pamięci – ujawniły wcześniej niezauważony wzór aktywności. W czasie czuwania wzrasta stała „toniczna” aktywność hamująca, podczas gdy szybkie hamowanie „fazowe” maleje. Odkryli także znacznie silniejsze, zależne od aktywności wzmocnienie hamujących odpowiedzi elektrycznych w neuronach obudzonych myszy, co sugeruje, że czuwanie, a nie sen, może bardziej wzmacniać te synapsy.

Neurony hamujące wykorzystują neuroprzekaźnik kwas gamma-aminomasłowy (GABA) do zmniejszania aktywności układu nerwowego. W synapsach hamujących neurony te uwalniają cząsteczki GABA do szczeliny synaptycznej – przestrzeni między neuronami, w której dyfundują neuroprzekaźniki. Cząsteczki wiążą się z receptorami GABA typu A (GABAA) na powierzchni sąsiednich neuronów pobudzających, zmniejszając prawdopodobieństwo ich zadziałania.

Dalsze eksperymenty wykazały, że zmiany synaptyczne podczas czuwania wynikają ze zwiększonej liczby receptorów α5-GABAA. Kiedy receptory zostały zablokowane u obudzonych myszy, zależne od aktywności wzmocnienie fazowych odpowiedzi elektrycznych zmniejszyło się. Sugeruje to, że akumulacja receptorów GABAA w czasie czuwania może być kluczem do budowy silniejszych, bardziej wydajnych synaps hamujących, co jest podstawowym procesem znanym jako plastyczność synaptyczna.

Przeciwciała w e-booku

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz bezpłatną kopię

„Kiedy w ciągu dnia uczysz się nowych informacji, neurony są bombardowane sygnałami pobudzającymi z kory mózgowej i wielu innych obszarów mózgu. Aby przekształcić te informacje w pamięć, musisz je najpierw uregulować i udoskonalić – tu właśnie pojawia się hamowanie” – mówi dr Lu.

Poprzednie badania wykazały, że zmiany synaptyczne w hipokampie mogą być napędzane sygnałami pochodzącymi z interneuronów hamujących – wyspecjalizowanego typu komórek, które stanowią jedynie około 10–20% neuronów w mózgu. Istnieje ponad 20 różnych podtypów neuronów interneuronów w hipokampie, ale ostatnie badania podkreśliły dwa typy, znane jako parwalbumina i somatostatyna, które odgrywają kluczową rolę w regulacji synaps.

Aby określić, który interneuron jest odpowiedzialny za obserwowaną plastyczność, zespół dr Lu zastosował optogenetykę – technikę wykorzystującą światło do włączania i wyłączania komórek i odkrył, że czuwanie prowadzi do większej liczby receptorów α5-GABAA i silniejszych związków parwalbuminy, ale nie somatostatyny – interneuronów.

Ludzie i myszy mają podobne obwody nerwowe, które leżą u podstaw przechowywania pamięci i innych niezbędnych procesów poznawczych. Mechanizm ten może umożliwić bodźcom hamującym precyzyjną kontrolę przypływu i przepływu informacji między neuronami i przez całe sieci mózgowe.

„Hamowanie jest w rzeczywistości dość potężne, ponieważ pozwala mózgowi działać w precyzyjnie dostrojony sposób, co zasadniczo leży u podstaw wszelkiej percepcji” – stwierdził dr Lu.

Ponieważ hamowanie jest niezbędne w niemal każdym aspekcie funkcjonowania mózgu, badanie to może pomóc naukowcom zrozumieć nie tylko cykle snu i czuwania, ale także zaburzenia neurologiczne wynikające z nieprawidłowych rytmów mózgu, takie jak padaczka.

W przyszłości grupa dr Lu będzie badać molekularne podstawy transportu receptora GABAA do synaps hamujących.

Badanie to zostało częściowo wsparte przez program badań stacjonarnych w NINDS.

Źródło:

Narodowe Instytuty Zdrowia

Odniesienie:

Wu, K. i in. (2022) Cykle snu i czuwania dynamicznie modulują hamującą plastyczność synaptyczną hipokampa. Biologia PLOS. doi.org/10.1371/journal.pbio.3001812.

.