Výskumníci identifikovali nový mechanizmus neuroplasticity spojený s učením a pamäťou

Neuróny sú dôležité, ale nie sú jedinými hráčmi v tomto procese. V skutočnosti je to „chrupavka“ vo forme zhlukov molekúl extracelulárnej matrice nazývaných chondroitínsulfáty, ktoré sa nachádzajú na vonkajšej strane nervových buniek, ktorá zohráva kľúčovú úlohu v schopnosti mozgu získavať a ukladať informácie.

Štúdia publikovaná v časopise Cell Reports opisuje nový mechanizmus plasticity mozgu, čiže ako sa nervové spojenia menia v reakcii na vonkajšie podnety. Článok má názov „Fokálne zhluky perisynaptickej matrice podporujú plasticitu a pamäť závislú od aktivity u myší“.

Táto práca je výsledkom spolupráce medzi Harvardskou lekárskou fakultou, Univerzitou v Trente a Nemeckým centrom pre neurodegeneratívne ochorenia (DZNE) v Magdeburgu.

„Senzorické zručnosti a schopnosť chápať naše okolie závisia od mozgovej aktivity, ktorá nám umožňuje vnímať a spracovávať podnety z vonkajšieho sveta. Prostredníctvom nášho mozgu sme schopní získavať a ukladať nové informácie, ako aj pamätať si informácie, ktoré sme sa už naučili,“ hovoria Yuri Bozzi a Gabriele Cellini.

„Tento fascinujúci jav je možný vďaka schopnosti mozgu neustále meniť štruktúru a účinnosť neurónových spojení (synapsií) v reakcii na vonkajšie podnety. Táto schopnosť sa nazýva synaptická plasticita. Pochopenie toho, ako dochádza k synaptickým zmenám a ako prispievajú k učeniu a pamäti, je jednou z hlavných výziev v neurovede.“

Yuri Bozzi je profesor na Univerzite v Trente a spoluautor článku. Gabriele Cellini je prvým autorom štúdie. Cellini začal na tomto projekte pracovať v roku 2017 ako postdoktorandský pracovník v laboratóriu Sabiny Berrettovej (Nemocnica McLean a Harvardská lekárska fakulta, Boston) a vedeckú publikáciu dokončil počas pôsobenia ako postdoktorandský pracovník v Bozziho laboratóriu na Univerzite v Trente.

V centre štúdie sú chondroitínsulfáty, molekuly dobre známe svojou úlohou v kĺboch, ktoré tiež zohrávajú dôležitú úlohu v plasticite mozgu, keďže sú neoddeliteľnou súčasťou extracelulárnej matrice mozgu, ako pôvodne objavila skupina Dr. Alexandra Dityateva v roku 2001.

V roku 2007 japonská štúdia opísala prítomnosť zhlukov chondroitín sulfátu, okrúhleho tvaru a zdanlivo náhodne roztrúsených po celom mozgu. Práca však upadla do zabudnutia, až kým laboratórium translačnej neurovedy Sabiny Berrettovej nevrátilo tieto štruktúry späť do centra pozornosti vedy premenovaním na zhluky CS-6 (chondroitín sulfát-6, čo identifikuje ich presné molekulárne zloženie) a neukázalo, že tieto štruktúry sú spojené s gliovými bunkami a v mozgu ľudí s psychotickými poruchami sú výrazne redukované.

Potom, v roku 2017, bol Gabriele Cellini, novo prijatý do Berrettovho laboratória, poverený odhalením funkcie týchto zhlukov.

„Najprv sme tieto štruktúry podrobne preskúmali a zobrazili ich vo veľmi vysokom rozlíšení. Zistili sme, že v podstate ide o zhluky synapsií potiahnutých CS-6 usporiadaných do jasne rozpoznateľného geometrického tvaru. Následne sme identifikovali nový typ synaptickej organizácie,“ hovoria vedci.

„V tomto bode sme museli byť trochu „experimentálne kreatívni“; pomocou kombinácie behaviorálnych, molekulárnych a sofistikovaných morfologických prístupov sme si uvedomili, že tieto zlúčeniny zapuzdrené v klastroch CS-6 sa menia v reakcii na elektrickú aktivitu v mozgu.“

„Nakoniec, vďaka spolupráci s Alexandrom Dityatevom z DZNE Magdeburg a úsiliu Hadiho Mirzapurdelawara z jeho skupiny sme znížili expresiu CS-6 v hipokampe (oblasť mozgu zodpovedná za priestorové učenie) a preukázali sme, že prítomnosť CS-6 je nevyhnutná pre synaptickú plasticitu a priestorovú pamäť,“ zdôrazňujú Bozzi a Cellini.

„Táto práca otvára cestu novému pohľadu na funkciu mozgu. Je možné, že všetky synapsie vytvorené na rôznych neurónoch v rámci zhlukov CS-6 majú schopnosť spoločne reagovať na špecifické vonkajšie podnety a podieľať sa na spoločnej funkcii zameranej na procesy učenia a pamäte,“ poznamenávajú.

„Zdá sa, že predstavujú nový substrát pre integráciu informácií a tvorbu asociácií na mnohobunkovej úrovni,“ dodávajú Dityatev a Berretta.

Táto práca je výsledkom spolupráce medzi niekoľkými laboratóriami vrátane Laboratória translačnej neurovedy (Sabina Berretta; Nemocnica McLean - Harvard Medical School, Boston), Laboratória pre výskum neurovývojových porúch (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinárne centrum pre vedu o mozgu, Univerzita v Trente) a Laboratória molekulárnej neuroplasticity (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).