Nauji Max Planck Floridos neuromokslų instituto tyrimai, paskelbti šią savaitę Gamta nustatė pagrindinį žingsnį, kaip neuronai koduoja informaciją mokymąsi atitinkančiais laiko intervalais.
Mokymasis trunka nuo sekundžių iki minučių. Tačiau geriausiai suprantami mechanizmai, kaip smegenys užkoduoja informaciją, vyksta greičiu, artimesniu nervų veiklai – maždaug 1000 kartų greičiau. Šie mechanizmai, žinomi kaip Hebbijos plastiškumas, rodo, kad jei du sujungti neuronai yra aktyvūs per šimtąją sekundės dalį, ryšys tarp dviejų neuronų sustiprėja.
Tokiu būdu per šį trumpą laiką į prijungtus neuronus patenkanti informacija gali būti susieta. Tačiau elgsenos metu informacija, kurią reikia užkoduoti kartu, dažnai atskiriama nuo sekundžių iki minučių. Kaip tada neuronai gali integruoti informaciją apie mokymuisi svarbius laiko intervalus?
Naujas mokymosi modelis
Neseniai naujas neuroninis informacijos kodavimo modelis, vadinamas elgsenos laiko skalės sinapsiniu plastiškumu (BTSP), išsprendė šį neatitikimą, parodydamas, kad neuronai gali integruoti informaciją per kelias sekundes, o tai atitinka elgesį. Iš tiesų, atliekant tokius veiksmus kaip navigacija, neuronai koduoja konkrečias vietas per BTSP. Tačiau molekuliniai mechanizmai, kaip neuronai įgyvendina BTSP, nebuvo žinomi.
Šią savaitę tyrimų grupė, vadovaujama dr. Anant Jain, dr. Yoshihisa Nakahata ir mokslinio direktoriaus dr. Ryohei Yasuda, nustatė pagrindinius BTSP veikimo neuronuose aspektus, pranešdama apie savo ilgus metus trukusį šio kritinio plastiškumo modelio tyrimą.
Daktaras Yasuda aprašo komandos motyvaciją projektui: „Tikslių molekulių ir mechanizmų, kuriuos neuronai naudoja informacijai koduoti, supratimas yra labai svarbus norint suprasti smegenų funkciją ir sveikatą. Šios srities tyrimai daugiausia buvo skirti tradiciniams plastiškumo modeliams, kurie gali būti mažiau svarbūs. Labai svarbu ištirti molekulinius mechanizmus, kuriais grindžiami nauji plastiškumo modeliai, tokie kaip BTSP.
Pirmoji komandos kliūtis buvo BTSP modeliavimas izoliuotame smegenų audinyje, kur jie galėjo tiksliai išmatuoti atsirandančius neuronų pokyčius. Tyrėjai sugebėjo suaktyvinti BTSP įvesdami ~ 1 sekundę, patvirtindami pailgėjusį informacijos saugojimo integravimo laiką. Komanda taip pat nustatė, kad BTSP atsiranda vienose sinapsėse, kuri yra svarbi informacijos kodavimo specifiškumui.
Derindama neuronų aktyvumo elektrofiziologinius matavimus su specializuota mikroskopija ir biojutikliais, komanda galėjo vizualizuoti realaus laiko molekulinius pokyčius, įvykusius BTSP metu, kad nustatytų jų vaidmenį.
CaMKII: Tas pats žaidėjas, skirtingas vaidmuo
Tyrimo grupė sutelkė dėmesį į molekulę, vadinamą CaMKII, kuri yra gerai žinoma dėl savo kritinio vaidmens daugelio neuronų plastiškumo tipuose.
„Mes iškėlėme hipotezę, kad CaMKII bus labai svarbus BTSP. Ši molekulė suaktyvinama sinapsėse ir gali išlikti aktyvi daugelį sekundžių. Atrodė, kad tai yra puikus kandidatas būti pagrindinis veikėjas, prailginantis informacijos integravimo neuronuose laiką”, – sako dr. Jain. „Na, pasirodo, kad mes buvome teisūs – CaMKII buvo labai svarbus BTSP, bet mes visiškai klydome dėl jo vaidmens.”
Kai tyrimų grupė sutrikdė CaMKII funkciją, BTSP buvo sutrikęs. Norėdama vizualizuoti CaMKII aktyvumą neuronuose BTSP proceso metu, grupė optimizavo biojutiklį, kad praneštų, kada CAMKII buvo aktyvus. Naudodami šį naujai optimizuotą jutiklį, kurio jautrumas beveik du kartus geresnis, palyginti su ankstesniais įrankiais, mokslininkai galėjo išmatuoti CAMKII aktyvumą BTSP metu. Tačiau jie nerado to, ko tikėjosi.
Priešingai jų hipotezei, BTSP indukcijos metu jie nerado aptinkamo CaMKII aktyvavimo. Vietoj to, uždelstas ir stochastinis CaMKII aktyvavimas įvyko praėjus dešimčiai sekundžių po BTSP inicijavimo. Be to, nors plastiškumas vyko konkrečioje sinapsėje, CaMKII buvo aktyvus daug didesnėje neurono srityje.
Tyrimas atskleidė, kad CaMKII yra pamokantis signalas BTSP, bet neapibrėžia plastiškumo sinapsės specifiškumo. Tai siūlo platų sinapsinio plastiškumo laiko langą ir naują modelį, kaip sinapsei būdingi ir pamokantys signalai gali integruotis per dešimtis sekundžių.
„Tai yra paradigmos pokytis mūsų požiūriu į CaMKII funkciją ir mūsų supratimą apie plastiškumo mechanizmus. CaMKII aktyvumas visame dendrite atskleidžia, kad jis neapibrėžia plastiškumo sinapsės specifiškumo, o yra susijęs su dendritinės informacijos apdorojimu. daug daugiau klausimų tolesniam tyrimui, įskaitant tai, kas apibrėžia informacijos kodavimo specifiškumą atskirose sinapsėse arba CAMKII aktyvinimo laiko delsą“, – sako dr. Jain.
„Stebėtinos išvados pabrėžia elgsenai svarbių informacijos kodavimo smegenyse modelių svarbą siekiant mūsų galutinio tikslo – susieti molekulinę veiklą su atminties formavimu ir užkirsti kelią neurologiniams sutrikimams, susijusiems su mokymusi ir atminties sutrikimais.