Vědci identifikovali nový mechanismus neuroplasticity související s učením a pamětí

Neurony jsou důležité, ale nejsou jedinými hráči v tomto procesu. Ve skutečnosti je to „chrupavka“ ve formě shluků molekul extracelulární matrix zvaných chondroitin sulfáty, které se nacházejí na vnější straně nervových buněk a hrají klíčovou roli ve schopnosti mozku získávat a ukládat informace.

Studie publikovaná v časopise Cell Reports popisuje nový mechanismus plasticity mozku, neboli to, jak se nervová spojení mění v reakci na vnější podněty. Článek nese název „Fokální shluky perisynaptické matrice podporují plasticitu a paměť závislou na aktivitě u myší“.

Tato práce je výsledkem spolupráce mezi Harvard Medical School, University of Trento a Německým centrem pro neurodegenerativní onemocnění (DZNE) v Magdeburgu.

„Senzorické dovednosti a schopnost rozumět našemu okolí závisí na mozkové aktivitě, která nám umožňuje vnímat a zpracovávat podněty z vnějšího světa. Prostřednictvím našeho mozku jsme schopni získávat a ukládat nové informace a také si pamatovat informace, které jsme se již naučili,“ říkají Yuri Bozzi a Gabriele Cellini.

„Tento fascinující jev je umožněn schopností mozku neustále měnit strukturu a efektivitu nervových spojení (synapsí) v reakci na vnější podněty. Tato schopnost se nazývá synaptická plasticita. Pochopení toho, jak k synaptickým změnám dochází a jak přispívají k učení a paměti, je jednou z hlavních výzev v neurovědě.“

Yuri Bozzi je profesorem na Univerzitě v Trentu a spoluautorem článku. Gabriele Cellini je prvním autorem studie. Cellini začal na tomto projektu pracovat v roce 2017 jako postdoktorand v laboratoři Sabiny Berretty (McLean Hospital a Harvard Medical School, Boston) a vědeckou publikaci dokončil během svého působení jako postdoktorand v Bozziho laboratoři na Univerzitě v Trentu.

Ústředním bodem studie jsou chondroitin sulfáty, molekuly dobře známé pro svou roli v kloubech, které hrají také důležitou roli v plasticitě mozku, jelikož jsou nedílnou součástí extracelulární matrix mozku, jak původně objevila skupina Dr. Alexandra Dityatěva v roce 2001.

V roce 2007 japonská studie popsala přítomnost shluků chondroitin sulfátu, které mají kulatý tvar a jsou zdánlivě náhodně rozptýleny po celém mozku. Práce však byla zapomenuta, dokud translační neurovědecká laboratoř Sabiny Berrettové nevrátila tyto struktury zpět do vědeckého centra pozornosti tím, že je přejmenovala na shluky CS-6 (chondroitin sulfát-6, což identifikuje jejich přesné molekulární složení) a neprokázala, že tyto struktury jsou spojeny s gliovými buňkami a v mozku lidí s psychotickými poruchami jsou výrazně redukovány.

Pak, v roce 2017, byl Gabriele Cellini, nově přijatý do Berrettovy laboratoře, pověřen odhalením funkce těchto shluků.

„Nejprve jsme tyto struktury podrobně prozkoumali a zobrazili je ve velmi vysokém rozlišení. Zjistili jsme, že se v podstatě jedná o shluky synapsí potažených CS-6, uspořádané do jasně rozpoznatelného geometrického tvaru. Poté jsme identifikovali nový typ synaptické organizace,“ říkají vědci.

„V tomto bodě jsme museli být trochu „experimentálně kreativní“; pomocí kombinace behaviorálních, molekulárních a sofistikovaných morfologických přístupů jsme si uvědomili, že tyto sloučeniny zapouzdřené v klastrech CS-6 se mění v reakci na elektrickou aktivitu v mozku.“

„Nakonec jsme díky spolupráci s Alexandrem Dityatevem z DZNE Magdeburg a úsilí Hadiho Mirzapurdelawara z jeho skupiny snížili expresi CS-6 v hipokampu (oblast mozku zodpovědná za prostorové učení) a prokázali, že přítomnost CS-6 je nezbytná pro synaptickou plasticitu a prostorovou paměť,“ zdůrazňují Bozzi a Cellini.

„Tato práce otevírá cestu k novému pohledu na funkci mozku. Je možné, že všechny synapse vytvořené na různých neuronech v rámci klastrů CS-6 mají schopnost společně reagovat na specifické vnější podněty a podílet se na společné funkci zaměřené na procesy učení a paměti,“ poznamenávají.

„Zdá se, že představují nový substrát pro integraci informací a tvorbu asociací na mnohobuněčné úrovni,“ dodávají Dityatev a Berretta.

Tato práce je výsledkem spolupráce několika laboratoří, včetně Laboratoře translační neurovědy (Sabina Berretta; Nemocnice McLean - Harvard Medical School, Boston), Laboratoře pro výzkum neurovývojových poruch (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinární centrum pro vědu o mozku, Univerzita v Trentu) a Laboratoře molekulární neuroplasticity (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).