Ученые поняли, как происходит поддержание баланса в головном мозге: когда одно соединение, называемое синапсом, усиливается, соседние синапсы сразу же ослабевают под действием важнейшего белка Arc.

В новом исследовании Института изучения и памяти Пикувера в Массачусетском технологическом институте впервые продемонстрировали, как происходит поддержание баланса в головном мозге: когда одно соединение, называемое синапсом, усиливается, соседние синапсы сразу же ослабевают под действием важнейшего белка Arc, – пишет medicalxpress.com.

Наш мозг гибкий, потому что нейроны могут делать новые вещи, создавая новые или более сильные связи с другими нейронами. Но, по мнению неврологов, нейроны должны каким-то образом компенсировать усиление связей в одной части мозга.

Старший автор Мриганка Сур сказал, что он взволнован, но не удивлен тем, что его команда обнаружила простое фундаментальное правило, лежащее в основе такой сложной системы, как мозг, где у каждого из ста миллиардов нейронов есть тысячи постоянно изменяющихся синапсов. «Коллективное поведение сложных систем всегда имеет простые правила, – объяснил ученый. – Когда один синапс укрепляется, в пределах 50 микрометров наблюдается ослабление других синапсов под действием четко определенного молекулярного механизма».

Этот вывод, по словам Сура, дает объяснение того, как усиление и ослабление синапсов в нейронах помогает развитию пластичности.

Сложные эксперименты

Хотя правило, которое нашли ученые, было простым, для его выявления пришлось провести серию сложных экспериментов. Авторы исследования работали над тем, чтобы активировать пластичность в зрительной коре мышей, а затем отследить, как изменились синапсы.

В одном важном эксперименте они изменяли «восприимчивое поле» нейрона. Нейроны получают вход через синапсы на шипиках дендритов. Чтобы изменить восприимчивое поле нейрона, ученые выделяли определенный шипик соответствующего дендрита, а затем тщательно отслеживали изменения в его синапсах, показывая мыши мишень на экране в том месте, которое не попадало в изначальное рецептивное поле нейрона. Всякий раз, когда мишень находилась в новом рецептивном поле, ученые усиливали реакцию нейрона, сверкая синим светом внутри зрительной коры мыши, провоцируя повышенную активность нейрона. Нейрон был генетически спроектирован так, чтобы его активировали световые вспышки – ученые применяли метод под названием «оптогенетика».

Исследователи делали это снова и снова. Поскольку световая стимуляция коррелировала с каждым появлением мишени в новом положении в поле зрения мыши, это заставляло нейрон укреплять определенный синапс, кодируя новое рецептивное поле.

«Я думаю, это удивительно, что мы можем перепрограммировать одиночные нейроны в неповрежденном мозге и наблюдать в живой ткани разнообразие молекулярных механизмов, которые позволяют этим клеткам интегрировать новые функции через синаптическую пластичность», – сказал Эль-Бустани.

По мере усиления синапса для нового рецептивного поля близлежащие синапсы слабели, – увидели исследователи под двухфотонным микроскопом. Они не наблюдали таких изменений в экспериментальных контрольных нейронах без оптогенетической стимуляции.

Ученым было необходимо подтвердить полученные данные. Поскольку синапсы очень малы, они близки к пределу разрешения световой микроскопии. После экспериментов команда расчленила ткани мозга, содержащие дендриты манипулируемых и контролирующих нейронов, и отправила их соавторам из Федеральной политехнической школы в Лозанне (Швейцария). Они выполнили специализированную трехмерную микроскопическую визуализацию с более высоким разрешением, подтверждающую, что структурные различия, наблюдаемые под двухфотонным микроскопом, действительно существуют.

«Это самый длинный дендрит, когда-либо реконструированный после визуализации in vivo», – сказал Мриганка Сур – руководитель Центра Симонса социального мозга при Массачусетском технологическом институте.

Конечно, перепрограммирование генетически модифицированного нейрона мыши вспышками света – это противоестественная манипуляция, поэтому команда сделала еще один классический эксперимент «монокулярного лишения», в котором они временно закрыли один глаз мыши. Синапсы в нейронах, связанных с закрытым глазом, ослабели, а синапсы, связанные с открытым глазом, усилились. Затем, когда они открыли ранее закрытый глаз, синапсы снова перегруппировались.

Разрешение загадки Arc

Зафиксировав новое правило, исследователи все еще стремятся понять, как нейроны повинуются ему. Они использовали химический ярлыки, чтобы посмотреть, как ключевые рецепторы AMPА (ионотропные рецепторы глутамата, которые передают быстрые возбуждающие сигналы в синапсах нервной системы позвоночных) изменились в синапсах, и увидели, что увеличение и усиление синапсов связано с большей экспрессией рецептора AMPA, а уменьшение и ослабление, соответственно с меньшей экспрессией рецептора AMPA.

Белка Arc регулирует экспрессию рецептора AMPA, поэтому команда поняла, что им нужно отслеживать Arc, чтобы полностью понять, что происходит. Проблема заключалась в том, что никто никогда не делал этого раньше в мозгу живого животного. Поэтому команда обратилась к соавторам в Высшую медицинскую школу Киотского университета и Токийский университет, которые изобрели химический способ.

Команда увидела, что усиливающиеся синапсы были окружены ослабленными синапсами, которые увеличивали экспрессию Arc. Синапсы с уменьшенной экспрессией Arc были способны экспрессировать больше рецепторов AMPA, тогда как усиленный белок Arc приводил к тому, что синапсы экспрессировали меньше рецепторов AMPA.

«Мы считаем, что Arc поддерживает баланс синаптических ресурсов, – сказал Жак Кан-Пак Ис. - Если что-то увеличивается, то другое должно уменьшаться. Это главная функция белка Arc».

Сур сказал, что исследование, таким образом, решает загадку предназначения белка Arc: раньше никто не понимал, почему это белок активируется в дендритах, способствуя синаптической пластичности, хотя его действие ослабляет синапсы. Теперь ответ ясен: укрепленные синапсы увеличивают Arc, чтобы ослабить их соседей.

Сур добавил, что правило помогает объяснить, как обучение и память могут работать на уровне отдельных нейронов.