Studien belyser hur sömn och vakenhet reglerar hämmande synapser

Studien belyser hur sömn och vakenhet reglerar hämmande synapser

I en musmodell har forskare upptäckt en ny daglig rytm i en typ av synaps som dämpar hjärnans aktivitet. Dessa neurala kopplingar, kända som hämmande synapser, balanseras om så att vi kan konsolidera ny information till långvariga minnen under sömnen. Fynden, publicerade i PLOS Biology, kan hjälpa till att förklara hur subtila synaptiska förändringar förbättrar minnet hos människor. Studien leddes av forskare vid National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), en del av National Institutes of Health.

Hämning är viktig för alla aspekter av hjärnans funktion. Men i över två decennier har de flesta sömnstudier fokuserat på att förstå excitatoriska synapser. Detta är den första studien som försöker förstå hur sömn och vakenhet reglerar hämmande synapser."

Dr Wei Lu, huvudforskare vid NINDS

I studien undersöker Dr Kunwei Wu, en postdoktor i Dr Lus labb vad som händer vid hämmande synapser under sömn och vakenhet hos möss. Elektriska inspelningar från neuroner i hippocampus – en hjärnregion som är viktig för minnesbildning – avslöjade ett tidigare obemärkt aktivitetsmönster. Under vakenhet ökade den stadiga "toniska" hämmande aktiviteten medan den snabba "fasiska" hämningen minskade. De fann också en mycket starkare aktivitetsberoende förbättring av hämmande elektriska svar i neuroner från vakna möss, vilket tyder på att vakenhet, men inte sömn, kan stärka dessa synapser mer.

Hämmande neuroner använder signalsubstansen gamma-aminosmörsyra (GABA) för att minska aktiviteten i nervsystemet. Vid hämmande synapser släpper dessa neuroner GABA-molekyler in i den synaptiska klyftan, utrymmet mellan neuroner där neurotransmittorer diffunderar. Molekylerna binder till GABA typ A (GABAA) receptorer på ytan av närliggande excitatoriska neuroner, vilket gör dem mindre benägna att eldas.

Ytterligare experiment visade att de synaptiska förändringarna under vakenhet drevs av ökat antal α5-GABAA-receptorer. När receptorerna blockerades i vakna möss, minskade den aktivitetsberoende förbättringen av fasiska elektriska svar. Detta tyder på att ackumulering av GABAA-receptorer under vakenhet kan vara nyckeln till att bygga starkare, mer effektiva hämmande synapser, en grundläggande process som kallas synaptisk plasticitet.

E-bok antikroppar

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

"När du lär dig ny information under dagen bombarderas neuroner med excitatoriska signaler från cortex och många andra delar av hjärnan. För att omvandla denna information till ett minne måste du först reglera och förfina den - det är här hämningen kommer in", säger Dr Lu.

Tidigare studier har visat att synaptiska förändringar i hippocampus kan drivas av signaler som härrör från hämmande interneuroner, en specialiserad celltyp som endast utgör cirka 10-20 % av nervcellerna i hjärnan. Det finns över 20 olika undertyper av interneuroner i hippocampus, men nyare studier har visat på två typer, kända som parvalbumin och somatostatin, som är kritiskt involverade i synapsreglering.

För att identifiera vilken interneuron som var ansvarig för den observerade plasticiteten använde Dr Lus team optogenetik, en teknik som använder ljus för att tända eller stänga av celler, och fann att vakenhet ledde till fler α5-GABAA-receptorer och starkare föreningar av parvalbumin, men inte somatostatin, interneuroner.

Människor och möss delar liknande neurala kretsar som ligger till grund för minneslagring och andra väsentliga kognitiva processer. Denna mekanism kan vara ett sätt för hämmande indata för att exakt kontrollera ebb och flödet av information mellan neuroner och över hela hjärnnätverk.

"Hämning är faktiskt ganska kraftfull eftersom den tillåter hjärnan att fungera på ett finjusterat sätt, vilket i huvudsak ligger till grund för all uppfattning", säger Dr Lu.

Eftersom hämning är avgörande för nästan alla aspekter av hjärnans funktion, kan denna studie hjälpa forskare att förstå inte bara sömn-vakna cykler utan också neurologiska störningar som härrör från onormala hjärnrytmer, såsom epilepsi.

För framtiden kommer Dr Lus grupp att utforska den molekylära grunden för GABAA-receptortransport till hämmande synapser.

Denna studie stöddes delvis av det intramurala forskningsprogrammet vid NINDS.

Källa:

National Institutes of Health

Hänvisning:

Wu, K., et al. (2022) Sömn- och vakencykler modulerar dynamiskt hippocampus hämmande synaptisk plasticitet. PLOS biologi. doi.org/10.1371/journal.pbio.3001812.

.