До недавнего времени считалось, что тихие синапсы присутствуют только на ранних стадиях развития мозга, когда они помогают мозгу усваивать новую информацию. Однако самые последние MIT Исследование показало, что около 30% всех синапсов в коре головного мозга взрослых мышей молчат. Ученые также обнаружили, что эти молчащие синапсы остаются неактивными до тех пор, пока их не привлекут на помощь. формировать новые воспоминания.
Эти «тихие» синапсы могут дать представление о том, как мозг взрослого человека может постоянно создавать новые воспоминания и получать новую информацию без необходимости менять старые обычные синапсы.
Димитра Вардалаки, аспирант Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования, сказала: «Эти молчаливые синапсы ищут новые связи, и когда представляется новая важная информация, связи между соответствующими нейронами укрепляются. Это позволяет мозгу создавать новые воспоминания, не перезаписывая важные воспоминания, хранящиеся в зрелом возрасте. синапсыкоторые труднее изменить».
В этом исследовании ученые не ставили перед собой задачу искать молчащие синапсы. Вместо этого они исследовали потрясающий результат предыдущего эксперимента в лаборатории Харнетта (Марк Харнетт, доцент кафедры мозга и когнитивных наук). В этом исследовании авторы показали, как дендриты, которые напоминают усики и отрастают от нейронов, могут обрабатывать синаптический вход по-разному в зависимости от того, где они расположены внутри одного нейрона.
Чтобы определить, может ли это помочь объяснить различия в их поведении, в рамках этого исследования ученые попытались количественно оценить рецепторы нейромедиаторов в различных дендритных ветвях. Они добились этого, используя метод, известный как IMAP (увеличенный анализ протеома с сохранением эпитопа), который создал Чанг. Этот метод позволяет физически расширять образцы тканей с последующей маркировкой конкретных белков для получения изображений с чрезвычайно высоким разрешением.
Харнетт сказал: «Когда мы занимались визуализацией, мы сделали удивительное открытие. Первое, что мы увидели, что было очень странно и чего мы не ожидали, — это повсюду филоподии».
Филоподии — тонкие мембранные выступы, отходящие от дендритов. Ученые видели их раньше, но то, что они делают, остается неясным, поскольку они настолько малы, что их трудно увидеть с помощью традиционных методов визуализации.
После этого открытия команда Массачусетского технологического института использовала технологию IMAP для поиска филоподий в дополнительных областях мозга взрослого человека. К своему изумлению, они обнаружили филоподии на уровне в 10 раз выше, чем наблюдалось ранее в зрительной коре мыши и других областях мозга. Кроме того, они обнаружили, что у филоподий отсутствуют АМРА-рецепторы, но они есть. NMDA-рецепторы, которые являются рецепторами нейромедиаторов.
Типичный активный синапс имеет оба этих рецептора, связывающихся с нейромедиатором глутаматом. Рецепторам NMDA обычно требуется сотрудничество с рецепторами AMPA для передачи сигналов, поскольку ионы магния блокируют рецепторы NMDA при нормальном потенциале покоя нейронов. Таким образом, при отсутствии АМРА-рецепторов синапсы, имеющие только NMDA-рецепторы, не могут пропускать электрический ток и называются «тихими».
Ученые адаптировали экспериментальный метод, известный как зажим патча, чтобы изучить возможность того, что эти филоподии являются молчащими синапсами. Имитируя высвобождение нейромедиатора глутамата из близлежащего нейрон, они могли стимулировать определенные филоподии, одновременно отслеживая производимую там электрическую активность.
Ученые использовали эту технику, чтобы обнаружить, что глутамат не будет генерировать электрический сигнал в филоподии, получающем входной сигнал, если только рецепторы NMDA не будут экспериментально разблокированы.
Ученые отметили, «Это убедительно подтверждает теорию о том, что филоподии представляют собой молчащие синапсы внутри мозга».
Ученые показали, что, сочетая высвобождение глютамата с электрическим током, исходящим от тела нейрона, можно отключить эти молчащие синапсы. Эта комбинированная стимуляция приводит к накоплению АМРА-рецепторов в молчащем синапсе, что позволяет ему сформировать прочную связь с близлежащим аксоном, высвобождающим глутамат.
Интересный факт: превратить эти молчащие синапсы в активные оказалось гораздо проще, чем изменить зрелые синапсы.
Харнетт сказал: «Если вы начнете с уже функционального синапса, этот протокол пластичности не будет работать. Синапсы во взрослом мозге имеют гораздо более высокий порог, предположительно потому, что вы хотите, чтобы эти воспоминания были достаточно устойчивыми. Вы не хотите, чтобы они постоянно перезаписывались. С другой стороны, филоподии можно захватить для формирования новых воспоминаний».
«Насколько мне известно, эта статья является первым реальным доказательством того, как она работает в мозге млекопитающих. Филоподии позволяют системе памяти быть одновременно гибкой и надежной. Вам нужна гибкость для получения новой информации, но также и стабильность, чтобы сохранить важную информацию».
Поиск этих «тихих» синапсов в тканях головного мозга человека в настоящее время продолжается. Кроме того, они хотят изучить, как старение и нейродегенеративные заболевания, а также другие переменные могут влиять на количество или функциональность этих синапсов.
Харнетт — сказал, «Вполне возможно, что, изменив степень гибкости вашей системы памяти, вам станет намного труднее изменить свое поведение и привычки или включить новую информацию. Вы также можете представить, что нашли некоторых молекулярных игроков, участвующих в филоподиях, и попытались манипулировать некоторыми из этих вещей, чтобы попытаться восстановить гибкую память по мере старения».
Справочник журнала:
- Вардалаки Д., Чанг К. и Харнетт М.Т. Филоподии являются структурным субстратом для молчащих синапсов в неокортексе взрослых. природа2022 DOI: 10.1038/s41586-022-05483-6
