„Virginia Tech“ neuromokslininkai atskleidė mitochondrijų procesą, kuris palaiko smegenų ląsteles, kurios kritiškai vertina mokymąsi, atmintį ir socialinį atpažinimą.
VTC Fralino biomedicinos tyrimų instituto docento padėjėjas Shannon Farris, pelių modelių tyrimas nagrinėja hipokampo CA2 regioną – specializuotą smegenų atminties centro sritį, būtiną socialinio atpažinimo atminčiai.
Išleido šią savaitę Mokslinės ataskaitostyrimas atskleidžia kritinį mitochondrijų kalcio uniporterio (MCU), baltymo, kuris reguliuoja kalcio srautą į mitochondrijas, vaidmenį, leidžiant neuronams sustiprinti ryšius. Šis procesas, žinomas kaip sinapsinis plastiškumas, yra esminis kognityvinės funkcijos ir adaptyvaus mokymosi.
„Mūsų išvados pabrėžia atskirą mitochondrijų mechanizmą, kuris padeda paaiškinti, kaip veikia CA2 neuronai, kurie gali prisidėti prie jo vaidmens socialiniame pažinime ir jo pažeidžiamumą esant tam tikriems neurologiniams sutrikimams“, – teigė Farrisas.
Unikalus CA2 regiono vaidmuo socialinėje atmintyje
Hipokampinis CA2 regionas yra mažas, bet kritinis socialinio pripažinimo centras – gebėjimas atsiminti ir atskirti asmenis. Skirtingai nuo kaimyninių hipokampinių regionų, CA2 neuronai priešinasi tam tikroms sinapsinio plastiškumo formoms, kelia intriguojančių klausimų apie jų specializuotą funkciją.
Farris ir jos komanda atrado, kad Ca2 neuronų mitochondrijos nėra vienodos. Vietoj to, jų struktūra ir funkcija skiriasi priklausomai nuo jų vietos neurone. Mitochondrijos tolimiausiose neuronų dendritų, esančių išorinėje sinapsinėje įvesties jungtyse, dendritų, yra labai specializuoti ir labai priklauso nuo MCU, kad būtų galima kontroliuoti jų aktyvumą.
Norėdami tai ištirti, tyrėjai ištrynė MCU geną genetiškai modifikuotų pelių CA2 neuronuose. Tai sukėlė plastiškumo sutrikimą atokiausiose sinapsėse, o tie, kurie yra arčiau ląstelės kūno, neturėjo įtakos.
„Tai rodo, kad mitochondrijų įvairovė nėra tik biologinis keiksmažodis“, – sakė Farrisas. „Tai pagrindinė savybė, leidžianti skirtingoms to paties neurono dalims funkcionuoti skirtingais būdais.”
Galimas poveikis Alzheimerio liga, autizmo spektro sutrikimas
Mitochondrijų disfunkcija vis labiau pripažįstama kaip pagrindinis neurologinių sutrikimų, tokių kaip Alzheimerio liga, autizmas, šizofrenija ir depresija, prisidėjimas.
Norint palaikyti ryšį ir apdoroti informaciją, sinapsėms reikia daug energijos. Kai mitochondrijos neveikia tinkamai, tai gali sutrikdyti šių ląstelių ir ląstelių ryšių kanalų funkcinį pajėgumą, sukeldamas mąstymo ir atminties problemų.
Yra žinoma, kad labiausiai nutolusios išorinės sinapsės yra vienos iš pirmųjų sinapsinių ryšių, paveiktų Alzheimerio ligos. Rezultatai rodo, kad MCU funkcija Ca2 neuronuose gali prisidėti prie šio pradinio silpnumo, ir tai suteikia galimybę suprasti, kodėl ši grandinė yra ypač jautri neurodegeneracijai.
„Suprasti, kodėl mitochondrijos Ca2 neuronuose yra skirtingi ir kaip jiems nepavyksta – galėtų padėti mums sukurti terapiją, kad būtų apsaugota ar atkurta funkcija konkrečiuose smegenų regionuose“, – teigė Farrisas.
Be Alzheimerio liga, tyrimas kelia platesnius klausimus apie tai, kaip mitochondrijų įvairovė gali paveikti kitus neurologinius sutrikimus. Neuronų gebėjimas tiksliai sureguliuoti mitochondrijų savybes galėtų būti kritinis veiksnys suprantant autizmą, kai CA2 disfunkcija galėtų būti susieta su žinomais socialiniais trūkumais, atsirandančiais šiame spektre.
Dekoduojanti mitochondrijų funkciją nervų grandinėse
Šis tyrimas skatina supratimą apie mitochondrijų biologiją ir įveikia techninę kliūtį vertinant mitochondrijas tankiuose ir įvairiuose smegenų audiniuose, sakė tyrėjai.
Naudojant elektroninę mikroskopiją ir dirbtinį intelektą, kad būtų galima nešioti tik dendritines mitochondrijas tankiai supakuotame sinapsiniame sluoksnyje, Farriso komanda buvo pažymėta mitochondrijų struktūra Ca2 neuronų dendrituose esant didelei erdvės skiriamąja geba ir ekstremaliai tiksliai per milimetrų plotį. Analizė atskleidė, kad mitochondrijos, turinčios MCU trūkumą, buvo mažesnės ir labiau suskaidytos-struktūrinis poslinkis, kuris gali būti jų sutrikusio gebėjimo palaikyti sinapsinę funkciją.
Plačiau kalbant, tyrimas ginčija ilgalaikę prielaidą, kad mitochondrijos veikia vienodai visose neurono dalyse. Vietoj to, neuronai gali aktyviai modifikuoti mitochondrijų savybes, kad optimizuotų funkciją konkrečiose sinapsėse – koncepciją, kuri galėtų pakeisti mūsų supratimą apie nervų energijos reguliavimą ir plastiškumą.
„Šios išvados ginčija ilgalaikę prielaidą, kad mitochondrijos vienodai veikia dendrituose“,-sakė Katy Pannoni, „Farris's Lab“ vyresnioji tyrimų bendradarbė ir pirmasis tyrimo autorius. „Vietoj to, mūsų darbas rodo, kad mitochondrijos yra labai specializuotos, kad palaikytų skirtingus skirtingų nervų grandinių poreikius.”
Taikant dirbtinį intelektą, norėdami analizuoti didelio masto elektronų mikroskopijos duomenų rinkinius, tyrimų komanda kiekybiškai įvertino mitochondrijų struktūrą ir pasiskirstymą per grandines tokiomis skalėmis, kurios negalima pasiekti įprastais rankiniais metodais. Šis naujas požiūris leis būsimiems tyrimams ištirti mitochondrijų funkciją labiau tikslumu ir gilumu.
Mitochondrijų tyrimų ateitis
Šis atradimas atveria naujus būdus, į kuriuos reikia atsižvelgti į galimą gydymą, ypač esant neurologiniams sutrikimams, kai energijos trūkumas susilpnina smegenų ryšius. Atskleidžiant, kaip mitochondrijos palaiko nervų plastiškumą, Farriso tyrimai nustato pagrindą, kad būtų galima išsaugoti smegenų funkcijas ir lėtą neurodegeneraciją.
Tada jos komanda ištirs, kaip CA2 neuronų mitochondrijos ugdo savo specializuotas savybes ir ar panašios adaptacijos egzistuoja kituose smegenų regionuose. Jie taip pat siekia ištirti terapines strategijas, kurios galėtų sustiprinti mitochondrijų sveikatą ir apsaugoti neuronus nuo ligų.
„Kuo labiau suprantame mitochondrijų įvairovę, tuo arčiau atrakiname, kaip smegenys mokosi, prisimena ir prisitaiko, ir kaip mes galime išlaikyti ją sveiką“, – teigė Farrisas.