Przełomowe badanie z udziałem neurologów z austriackiego Instytutu Nauki i Technologii oraz Instytutu Maxa Plancka ujawniło nowe mechanizmy molekularne w hipokampie odpowiedzialnym za tworzenie pamięci. Badając omszałe włókno synapsa w komórkach ziarnistych badacze zidentyfikowali kluczowe białka i ich dynamikę, co pogłębiło naszą wiedzę na temat przetwarzania i przechowywania wspomnień.
Henry Gustav Molaison, znany jako pacjent „HM”, cierpiał na ciężką padaczkę. Dotknięty wyniszczającymi napadami drgawkowymi udał się do chirurga, który prześledził epilepsję w płacie skroniowym mózgu, gdzie znajduje się hipokamp.
W 1953 roku HM przeszedł operację mózgu w celu usunięcia hipokampu, próbując wyleczyć padaczkę. Operacja skutecznie wyeliminowała epilepsję i drgawki, ale spowodowała także poważne skutki uboczne. U HM rozwinęła się amnezja następcza; zachował wspomnienia sprzed operacji, ale nie mógł już tworzyć nowych. Jego przypadek odegrał kluczową rolę w powiązaniu hipokampu z funkcjonowaniem mózgu i tworzeniem pamięci.
Obecnie hipokamp jest powszechnie uznawany za kluczowy obszar ludzkiego mózgu, odgrywający kluczową rolę w tworzeniu pamięci i nawigacji przestrzennej. Przekształca pamięć krótkotrwałą w pamięć długoterminową, ułatwiając rewizję osobistych doświadczeń.
Teraz międzynarodowy zespół neuronaukowców odkrył nowe szczegóły dotyczące mechanizmów molekularnych napędzających przetwarzanie pamięci. Naukowcy dokładnie przyjrzeli się synapsie włókien omszałych – kluczowemu punktowi połączenia między określonymi komórkami nerwowymi (neuronami) w hipokampie – łącząc podejścia do badania jej struktury, niezbędnych cząsteczek i funkcjonalności.
Badanie prowadzone przez Olenę Kim, Yuji Okamoto i Magdalena Walz profesor nauk o życiu w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) Petera Jonasa, został niedawno opublikowany w Biologia PLOS.
Centrum Pamięci
Wewnątrz hipokampu w przetwarzanie pamięci zaangażowanych jest kilka typów neuronów. Na przykład komórki ziarniste są ważne w przetwarzaniu przychodzących informacji. „Komórki ziarniste otrzymują różne sygnały z innych obszarów mózgu, które muszą przetwarzać i dalej propagować” – wyjaśnia Olena Kim, absolwentka ISTA, a obecnie doktorantka w Instytucie Biotechnologii Molekularnej (IMBA) Austriackiej Akademii Nauk (ÖAW).
Sygnały te są przekazywane przez aksony komórek ziarnistych – ich przedłużenie przypominające ramię, zwane włóknami omszałymi. Włókna te tworzą punkt kontaktowy z komórkami piramidalnymi – synapsą włókien omszałych. W związku z tym cząsteczki przekaźników w postaci neuroprzekaźników ułatwiają komunikację, ostatecznie uruchamiając tworzenie i przechowywanie pamięci.
Synapsy włókien omszałych charakteryzują się dużą plastycznością, co oznacza, że pod wpływem bodźców mogą zmieniać swoją aktywność, strukturę i połączenia. Ta zdolność adaptacji pomaga hipokampowi prawidłowo przetwarzać informacje i rozróżniać podobne sygnały.
Kim podaje przykład: „Załóżmy, że spotykasz jednocześnie panterę i czarnego kota, oba wydają się czarne i kocie. Jednak jednego można rozróżnić jako kota, a drugiego jako panterę. Synapsy włókien omszałych odgrywają kluczową rolę w kodowaniu i przetwarzaniu tych wyróżniających cech, ostatecznie odzyskując pamięć i informacje.
Synapsy omszałych włókien w zbliżeniu
Dokładne szczegóły molekularne działania przetwarzania sygnału w synapsach włókien omszałych są nadal nieznane. W 2020 roku Peter Jonas, Carolina Borges-Merjane i Olena Kim postanowili zbadać strukturę synaps włókien omszałych, stosując nową technikę o nazwie „Flash and Freeze” – potężne narzędzie, w którym neurony są zamrażane zaraz po stymulacji.
„Wtedy byliśmy w stanie powiązać zmiany strukturalne w synapsach włókien omszałych z ich funkcjonalnością” – mówi Kim. „Chcieliśmy jednak popchnąć tę technikę dalej i nie tylko przyjrzeć się strukturze synaps, ale także zmianom zachodzącym na poziomie molekularnym podczas przetwarzania sygnałów”.
Naukowcy byli szczególnie zainteresowani dwoma białkami znajdującymi się w neuroprzekaźnik strefa uwalniania: kanały wapniowe Cav2.1, które są kluczowe, ponieważ napływ wapnia przez te kanały powoduje uwalnianie neuroprzekaźnika, oraz Munc13, kluczowy czynnik wskazujący gotowość neuroprzekaźnika do uwolnienia.
„Przed naszym badaniem wszystkie prace nad tymi dwoma białkami przeprowadzono na próbkach mózgu utrwalonych chemicznie” – kontynuuje Kim. Ponieważ próbki te nie są żywe, nie zapewniają wglądu w procesy dynamiczne. „W naszym nowym badaniu chcieliśmy wykorzystać żywą tkankę mózgową, aby zachować dynamikę, naturalny skład i lokalizację tych białek”.
Powierzchnia przypominająca Księżyc
Z pomocą swoich kolegów z ISTA, profesora Ryuichi Shigemoto i naukowca Waltera Kaufmanna, naukowcy zastosowali technikę „oznaczania pęknięć zamrożonych”. Stymulowali chemicznie komórki ziarniste w próbkach tkanki mózgowej myszy, aby aktywować proces tworzenia pamięci. Następnie tkanka mózgowa została natychmiast zamrożona i podzielona na dwie połowy. Wewnętrzna strona przekroju przedstawia odsłoniętą powierzchnię znajdującej się wewnątrz tkanki – trójwymiarowy ślad tkanki w tym konkretnym momencie, z osadzonymi białkami i cząsteczkami.
Po oznaczeniu Cav2.1 i Munc13 w celu ich uwidocznienia naukowcy wykorzystali mikroskop elektronowy do ustalenia ich dokładnej lokalizacji. Obrazy przypominające zbliżenie Księżyca ujawniły, że pod wpływem stymulacji te dwa białka zmieniły układ i zbliżyły się do siebie.
Dalsze badania wykazały, że przegrupowanie jest ściśle powiązane z funkcjonalnością synapsy włókien omszałych. Peter Jonas podsumowuje: „Po aktywacji następują dwie zmiany. Po pierwsze, wzrasta liczba pęcherzyków w pobliżu błony. Po drugie, następuje nano-przegrupowanie Cav2.1 i Munc13, dzięki czemu synapsy są potężniejsze i bardziej precyzyjne. Obie zmiany mogą przyczyniać się do tworzenia pamięci.”
Badanie rzuca światło na związek między strukturą i funkcją kluczowej synapsy w hipokampie. Nasze wspomnienia często przywołują żywe obrazy. Jednak do tej pory nie byliśmy w stanie uchwycić sygnałów molekularnych wyzwalających powstawanie pamięci. Niniejsze badanie stanowi pod tym kątem kamień węgielny.
Odniesienie: „Presynaptyczne wzmocnienie za pośrednictwem cAMP-PKA indukuje rekonfigurację puli pęcherzyków synaptycznych i sprzężenie kanał-pęcherzyk w butonach omszałych włókien hipokampa”, Olena Kim, Yuji Okamoto, Walter A. Kaufmann, Nils Brose, Ryuichi Shigemoto i Peter Jonas, 18 listopada 2024, Biologia PLOS.
DOI: 10.1371/journal.pbio.3002879
