Новое исследование Института обучения и памяти Пикауэра, проведенное в феврале. 4-е онлайн-издание Neuron проливает свет на врожденную пластичность взрослого мозга на самом фундаментальном уровне – синапсе.
Связь между нейронами, которая позволяет мозгу координировать деятельность и хранить новую информацию, происходит в синапсах. Если внешний стимул не вызывает синаптических изменений, он не регистрируется – не происходит обучения или формирования памяти. Синапсы могут быть усилены или ослаблены, или даже добавлены и удалены в ответ на новую информацию. Сбои в работе синапсов связаны с определенными заболеваниями. Лучшее понимание того, как синапсы образуются и разрушаются в ответ на внешние раздражители, может помочь справиться с широким спектром расстройств, от наркозависимости до психических заболеваний.
"Ключом к обеспечению пластичности взрослого мозга является понимание того, какие элементы цепи мозга изменчивы, а какие нет, и при каких обстоятельствах," говорит автор исследования Элли Недиви, исследователь Picower и профессор нейробиологии факультета мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. "Хорошая новость заключается в том, что в то время как некоторые части схемы жестко смонтированы, другие нет – они сохраняют способность к переделке."
Получение и потеря связей
Нейрон бомбардируется сигналами от сотен пресинаптических партнеров. Синапсы действуют как проводники для этих входящих сигналов. Возбуждающие нейротрансмиттеры текут от пресинаптического к постсинаптическому нейрону в синаптических участках, которые находятся на выпуклых выступах с округлой головой и тонкой шеей, называемых шипами. На длинных ветвящихся дендритах одного нейрона могут быть сотни колючек, как листья на ветке дерева.
Когда шипы появляются и исчезают, нейрон может приобретать новые связи или терять существующие. "Если шипы исчезают, они редко возвращаются в то же место; новые шипы ищут альтернативные места," говорит аспирантка биологии Кэтрин Вилья, соавтор исследования. "Это как если бы после решения, что соединение не стоит держать, нейроны попытаются заменить его другим контактом."
Увидеть шипы на работе
Используя передовые методы визуализации, разработанные в сотрудничестве с Питером Со, профессором механической и биологической инженерии Массачусетского технологического института, команда Недиви отслеживала ежедневную динамику всех дендритных шипов на одном нейроне в мозгу живой мыши, а также всех возбуждающих и тормозных звеньев. синапсы на этих нейронах. Способность маркировать тормозящие синапсы у живых животных появилась сравнительно недавно; даже сегодня, как известно, трудно увидеть, как возбуждающие и тормозящие синапсы работают бок о бок.
Прямая визуализация тормозных синапсов показала тот удивительный факт, что, хотя многие из них находятся на стержне дендритных ветвей, примерно 30 процентов находятся на дендритных шипах рядом с возбуждающими синапсами. Еще одним сюрпризом было то, что при удалении тормозных синапсов они снова и снова возвращаются в одно и то же место. "Понятно, что цель здесь не в том, чтобы менять партнеров, как мы видим для возбуждающих связей," говорит аспирантка биологии Кален Берри, соавтор Виллы. "Мы думаем, что тормозные синапсы могут действовать как своего рода привратники, мигая, включая и выключая, при необходимости отключая возбуждающие связи."
Интересно, что шипы двойного назначения большие и чрезвычайно стабильные, как и возбуждающие соединения на них. "По сути, это аппаратная часть схемы," Недиви говорит. "Но у нас все еще есть возможность изменить его через ближайший тормозной синапс."
Эти данные поднимают вопрос о том, почему некоторые возбуждающие связи на одинарно иннервируемых шипах могут быть реструктурированы, в то время как те, которые находятся на дважды иннервируемых шипах, не могут. Как структурная пластичность тормозных синапсов изменяет свойства возбуждающего контура и что делает возможным их быстрое введение и удаление в стабильных участках? Ответы на эти вопросы могут пролить свет на способы повышения пластичности мозга взрослых и нарушений, связанных с синапсами.