О синапсах и обучении

Нельзя научить старую собаку новым трюкам — старая пословица не совсем верна. В настоящее время известно, что модуляция синаптических функций, в том числе образование новых нейронов, все же имеет место в старости, хотя и в меньшей степени, чем в детстве. Человеческий мозг хранит воспоминания в виде моделей нейронной активности. Структурная пластичность является основой всех процессов обучения. Врач Томас Хайнмюллер и профессор доктор Марлен Бартос из Института физиологии Фрайбургского университета исследуют механизмы, лежащие в основе формирования долговременной памяти, и обнаружили, что тормозные интернейроны в гиппокампе играют важную роль.

Томас Хайнмюллер и профессор, доктор Марлен Бартос стремятся понять механизмы формирования памяти. © Hainmüller/Bartos, Фрайбургский университет

Нейроны мозга общаются друг с другом через соединения, известные как синапсы. Синапсы способны контролировать силу сигналов, передаваемых между нейронами. Сила синапсов изменяется в зависимости от количества стимулов, полученных в процессе обучения: синапсы имеют способность со временем ослабевать или усиливаться.Это явление называется синаптической или функциональной пластичностью и представляет собой естественный процесс, позволяющий организмам адекватно реагировать на изменения в окружающей среде. Пластические изменения также могут происходить из-за количества нейротрансмиттеров, высвобождаемых в синапс, а также из-за изменения количества рецепторов нейромедиаторов, расположенных на постсинаптической мембране. Таким образом, функциональная пластичность лежит в основе всех структурных изменений в головном мозге, т. е. может привести к изменению размера области синаптических контактов, к образованию новых синапсов или к деградации уже не используемых синапсов.

Томас Хайнмюллер является докторантом в исследовательской группе профессора доктора Марлен Бартос в Институте физиологии Фрайбургского университета, где он конкретно работает над молекулярными механизмами синаптической пластичности. «Взрослый мозг генерирует новые нейроны только в нескольких областях. Поэтому мы считаем, что связанные с обучением изменения происходят в структурах, соединяющих отдельные нервные клетки. В настоящее время мы считаем, что основной механизм, обеспечивающий формирование памяти, каким-то образом связан с синапсами», — говорит Хайнмюллер.

Нейронная активность в мозговом оркестре

Флуоресцентная микроскопия показывает, как гранулярная клетка (v-образная, справа) соединяется с интернейроном (овальным, слева) через синапс. © Hainmüller/Bartos, Фрайбургский университет

Исследователи только недавно обнаружили, что новые нейроны все еще могут образовываться у взрослых в процессе, называемом нейрогенезом. Однако стволовые клетки присутствуют только в двух областях мозга: обонятельной луковице и области зубчатой ​​извилины гиппокампа. Гиппокамп обычно считается органом, в котором хранится большая часть воспоминаний. «Есть также убедительные доказательства того, что синаптическая пластичность тесно связана с процессом обучения», — говорит Хайнмюллер.

Хайнмюллер и его коллеги работают над определенными типами нервных клеток, то есть возбуждающими гранулярными клетками и тормозными интернейронами.Ученые долгое время считали, что формирование воспоминаний в мозгу происходит главным образом благодаря чрезвычайно большому количеству возбуждающих нейронов. Однако сейчас известно, что тормозные интернейроны, которых примерно в десять раз меньше, также вносят значительный вклад в нашу способность запоминать вещи. В то время как возбуждающие нервные клетки активируют соседние клетки, интернейроны выключают следующие клетки, что приводит к разделению сходных воспоминаний. «Нейроны действуют не хаотично, а синхронно, как оркестр. Определенные нейроны активны в определенное время; пауза между ними инициируется тормозными интернейронами, — объясняет Хайнмюллер, продолжая добавлять, — если вы отключите тормозные интернейроны, синхронизация будет потеряна».

Я активен, а ты стоишь на месте

Активность нервных клеток позволяет понять, как можно модулировать силу синаптической передачи. В работе Хайнмюллера особое внимание уделяется синапсам возбуждающих зернистых клеток, которые соединяются с тормозными интернейронами в зубчатой ​​извилине. «Возбуждающие гранулярные клетки конкурируют с тормозными интернейронами за передаваемую информацию; затем одна гранулярная клетка говорит другим возбуждающим гранулярным клеткам: я активен, а вы оставайтесь на месте», — говорит Хайнмюллер, объясняя, что гранулярные клетки дают эту команду с помощью интернейронов. «Мы пытаемся найти ответы на два вопроса. Во-первых, как синапсы этих гранулярных клеток могут активировать интернейроны, которые, в свою очередь, ингибируют другие гранулярные клетки? А во-вторых, как это работает при обучении и формировании памяти?»

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо детально разобраться в характере синаптических связей и механизмах, которые могут изменять связи. Усиление синапсов между клетками может быть достигнуто, если все они активны одновременно. В основном это означает, что гранулярная клетка должна быть активной в то же время, что и интернейрон. Последний затем активируется более эффективно.Одновременная активация гранулярных клеток и интернейронов необходима для активации возбуждающих ионотропных рецепторов глутамата AMPA и метаботропных рецепторов глутамата (mGluR). На молекулярном уровне пластические изменения в синапсах являются результатом взаимодействия нескольких рецепторов глутамата. Возбуждающие гранулярные клетки выделяют глутамат, который связывается с быстрыми ионотропными рецепторами AMPA на интернейронах. Хайнмюллер и его коллеги обнаружили, что активация ионотропных рецепторов AMPA приводит к притоку кальция в клетки. Кроме того, глутамат возбуждает более медленные метаботропные рецепторы (mGluR), которые, в свою очередь, запускают сигнальный каскад, высвобождая G-белок в клетку, когда активны и гранулярная клетка, и интернейрон. «Взаимодействие между кальцием и G-белком является предпосылкой для пластических изменений в постсинаптической клетке, которые, в свою очередь, запускаются каскадом вторичных мессенджеров», — говорит Хайнмюллер.

Пластичность разделяет воспоминания

Долговременная пластичность формирует воспоминания: межнейронная протеинкиназа С (ПКС) посылает сигнал обратно в гранулярную клетку, которая затем отдает приоритет этому соединению, что приводит к высвобождению большего количества нейротрансмиттера. © Hainmüller/Bartos, изменено из PNAS: совместная активация CP-AMPA и рецептора mGlu группы I необходима для синаптической пластичности в интернейронах с быстрым импульсом зубчатой ​​извилины (2014; 111: 13211-6)

Хайнмюллер и его коллеги предполагают, что этот механизм гарантирует, что пластические изменения происходят только при одновременной активации гранулярных клеток и интернейронов. Это и только это приводит к более тесной связи между ними и позволяет гранулярным клеткам в большей степени активировать интернейроны. Исследователи также заметили, что это способствует подавлению менее активных нейронов.«Это может обеспечить дальнейшее разделение двух разных частей информации, предотвращая перекрытие и снижая уровень активности клеток», — говорит Хайнмюллер, сравнивая это со светофором, где красный и зеленый свет должны быть четко разделены. Долгосрочная синаптическая пластичность индуцируется ферментом межнейронной протеинкиназы С (ПКС), который посылает ретроградный сигнал (природа которого пока неизвестна) в пресинапс, тем самым увеличивая вероятность того, что гранулярная клетка высвобождает нейротрансмиттеры в течение определенного времени. большая продолжительность (долговременная пластичность).

Команда Бартоса смогла показать на мышах, что отключение интернейронов у животных препятствует формированию памяти в течение периода, когда интернейроны выключены. У животных выявляют дефицит рабочей памяти. С другой стороны, недавние исследования показали, что с помощью оптогенетики можно создать искусственную синаптическую пластичность, результатом которой является запоминание новой информации. Тем не менее, Хайнмюллер с осторожностью относится к любому потенциальному медицинскому применению полученных результатов для лечения деменции и нарушений памяти. «Сначала нам нужно получить детальное представление о том, как мозг учится. Когда мы это узнаем, мы сможем думать о способах исправления отклонений».

Дальнейшая информация:
Томас Хайнмюллер
Институт физиологии
Фрайбургский университет
Hermann-Herder-Str. 7
79104 Фрайбург
Тел.: +49 (0)761 / 203 — 67309
Электронная почта: thomas.hainmueller(at)physiologie.uni-freiburg.de

Проф. д-р Марлен Бартос
Институт физиологии
Фрайбургский университет
Hermann-Herder-Str. 7
79104 Фрайбург
Тел.: +49 (0)761 / 203 — 5194
Электронная почта: marlene.bartos(at)physiologie.uni-freiburg.de