Naukowcy odkryli, że cząsteczka CaMKII pomaga neuronom kodować informacje w ciągu kilku sekund, co jest kluczowym procesem uczenia się. Podważa to wcześniejsze przekonania na temat wpływu CaMKII na plastyczność specyficzną dla synaps.
Niedawne badanie przeprowadzone przez Max Planck Florida Institute for Neuroscience, opublikowane w: Naturaodkrył kluczowy krok w sposobie kodowania informacji przez neurony w skalach czasowych dostosowanych do procesu uczenia się.
Niedopasowanie czasowe
Nauka trwa sekundy lub minuty. Jednak najlepiej poznane mechanizmy kodowania informacji przez mózg zachodzą przy prędkościach bliskich aktywności neuronowej – około 1000 razy większej.
Mechanizmy te, znane jako plastyczność Hebbiana, sugerują, że jeśli dwa połączone neurony będą aktywne w ciągu jednej setnej sekundy, wówczas połączenie między nimi zostanie wzmocnione. W ten sposób można powiązać informacje docierające do połączonych neuronów w tym krótkim oknie czasowym.
Jednak podczas zachowania informacje, które należy zakodować razem, są często oddzielone sekundami lub minutami. Jak zatem neurony mogą integrować informacje dotyczące skal czasowych istotnych dla uczenia się?
Nowy model uczenia się
Niedawno opracowano nowy neuronowy model kodowania informacji, zwany behawioralną plastycznością synaptyczną w skali czasu (BTSP), aby wyeliminować tę rozbieżność, wykazując, że neurony mogą integrować informacje w ciągu sekund, czyli w skali czasu zgodnej z zachowaniem. Rzeczywiście, podczas zachowań takich jak nawigacja, neurony kodują określone lokalizacje poprzez BTSP. Jednakże molekularne mechanizmy wdrażania BTSP przez neurony były nieznane.
W tym tygodniu zespół badawczy kierowany przez dr Ananta Jaina, dr Yoshihisę Nakahatę i dyrektora naukowego dr Ryohei Yasudę zidentyfikował kluczowe aspekty działania BTSP w neuronach, opisując swoje wieloletnie badania nad tym krytycznym modelem plastyczności.
Dr Yasuda opisuje motywację zespołu do realizacji projektu: „Zrozumienie precyzyjnych cząsteczek i mechanizmów wykorzystywanych przez neurony do kodowania informacji ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia funkcjonowania i zdrowia mózgu. Badania w tej dziedzinie skupiały się przede wszystkim na tradycyjnych modelach plastyczności, które mogą być mniej istotne dla uczenia się podczas doświadczenia. Niezwykle istotne jest zbadanie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw nowych modeli plastyczności, takich jak BTSP”.
Pierwszą przeszkodą dla zespołu było modelowanie BTSP w izolowanej tkance mózgowej, gdzie można było precyzyjnie zmierzyć powstałe zmiany neuronalne. Naukowcom udało się wyzwolić BTSP na podstawie wejść oddzielonych o ~1 sekundę, co potwierdziło wydłużony czas integracji przechowywania informacji.
Zespół odkrył również, że BTSP występuje w pojedynczych synapsach, co jest właściwością krytyczną dla specyficzności kodowania informacji. Łącząc pomiary elektrofizjologiczne aktywności neuronów ze specjalistyczną mikroskopią i bioczujnikami, zespół mógł wizualizować w czasie rzeczywistym zmiany molekularne zachodzące podczas BTSP, aby określić ich rolę.
CaMKII: Ten sam gracz, inna rola
Zespół badawczy skupił się na cząsteczce zwanej CaMKII, która jest dobrze znana ze swojej kluczowej roli w wielu typach plastyczności neuronów.
„Postawiliśmy hipotezę, że CaMKII będzie miał kluczowe znaczenie dla BTSP. Cząsteczka ta jest aktywowana w synapsach i może pozostać aktywna przez wiele sekund. Wydawało się, że jest to idealny kandydat na kluczowego gracza w wydłużaniu okna czasowego integracji informacji w neuronach” – opisuje dr Jain. „No cóż, okazuje się, że mieliśmy rację – CaMKII był krytyczny dla BTSP, ale całkowicie myliliśmy się co do jego roli.”
Kiedy zespół badawczy zakłócił działanie CaMKII, BTSP zostało zakłócone. Chcąc wizualizować aktywność CaMKII w neuronach podczas procesu BTSP, grupa zoptymalizowała biosensor w celu raportowania aktywności CAMKII. Korzystając z tego nowo zoptymalizowanego czujnika, charakteryzującego się niemal dwukrotnie większą czułością w porównaniu z poprzednimi narzędziami, naukowcy mogli mierzyć aktywność CAMKII podczas BTSP. Nie znaleźli jednak tego, czego oczekiwali.
Wbrew swojej hipotezie nie stwierdzili wykrywalnej aktywacji CaMKII podczas indukcji BTSP. Zamiast tego opóźniona i stochastyczna aktywacja CaMKII nastąpiła kilkadziesiąt sekund po zainicjowaniu BTSP. Ponadto, podczas gdy plastyczność odbywała się w określonym czasie synapsaCaMKII był aktywny na znacznie większym obszarze neuronu. Badania wykazały, że CaMKII jest sygnałem pouczającym dla BTSP, ale nie określa specyficzności plastyczności synaps. Sugeruje szerokie okno czasowe plastyczności synaptycznej oraz nowy model sposobu, w jaki specyficzne dla synapsy i pouczające sygnały mogą integrować się w ciągu kilkudziesięciu sekund.
„Jest to zmiana paradygmatu w naszym spojrzeniu na funkcję CaMKII i naszym rozumieniu mechanizmów plastyczności. Aktywność CaMKII w całym dendrycie ujawnia, że nie definiuje on specyficzności plastyczności synaps, ale raczej bierze udział w przetwarzaniu informacji dendrytycznej. Nasze wyniki otworzyły wiele innych pytań do dalszych badań, w tym tego, co definiuje specyfikę kodowania informacji w pojedynczych synapsach lub opóźnienie czasowe aktywacji CAMKII” – opisuje dr Jain. „Zaskakujące odkrycia podkreślają znaczenie behawioralnie odpowiednich modeli kodowania informacji w mózgu dla osiągnięcia naszego ostatecznego celu, jakim jest powiązanie aktywności molekularnej z tworzeniem pamięci i zapobieganie zaburzeniom neurologicznym obejmującym zaburzenia uczenia się i pamięci”.
Odniesienie: „Dendrytyczna, opóźniona, stochastyczna aktywacja CaMKII w plastyczności behawioralnej skali czasu” autorstwa Ananta Jaina, Yoshihisy Nakahaty, Tristano Pancani, Tetsuya Watabe, Poliny Rusina, Kelly South, Kengo Adachi, Long Yan, Noriko Simorowski, Hiro Furukawa i Ryohei Yasuda, 9 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08021-8
Badanie zostało sfinansowane ze środków Narodowe Instytuty Zdrowia.
