Исследователи выявили новый механизм нейропластичности, связанный с обучением и памятью

Нейроны важны, но они не единственные участники процесса. Действительно, именно "хрящи" в виде кластеров молекул внеклеточного матрикса, называемых хондроитинсульфатами, расположенные снаружи нервных клеток, играют ключевую роль в способности мозга приобретать и хранить информацию.

Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, описывает новый механизм мозговой пластичности, или как нервные соединения изменяются в ответ на внешние стимулы. Работа называется "Фокальные кластеры пери-синаптического матрикса способствуют активности-зависимой пластичности и памяти у мышей".

Эта работа является результатом сотрудничества между Гарвардской медицинской школой, Университетом Тренто и Немецким центром нейродегенеративных заболеваний (DZNE) в Магдебурге.

"Сенсорные навыки и способность понимать наше окружение зависят от активности мозга, которая позволяет нам воспринимать и обрабатывать стимулы, поступающие из внешнего мира. Через наш мозг мы способны приобретать и хранить новую информацию, а также помнить информацию, которую мы уже усвоили," говорят Юрий Боцци и Габриэле Челини.

"Этот захватывающий феномен становится возможным благодаря способности мозга непрерывно изменять структуру и эффективность нейронных соединений (синапсов) в ответ на внешние стимулы. Эта способность называется синаптической пластичностью. Понимание того, как происходят синаптические изменения и как они способствуют обучению и памяти, является одной из главных задач нейробиологии."

Юрий Боцци — профессор Университета Тренто и со-ведущий автор статьи. Габриэле Челини — первый автор исследования. Челини начал работу над этим проектом в 2017 году как постдокторант в лаборатории под руководством Сабины Берретты (больница Маклин и Гарвардская медицинская школа, Бостон) и завершил научную публикацию во время своей работы постдокторантом в лаборатории Боцци в Университете Тренто.

В центре исследования находятся хондроитинсульфаты, молекулы, хорошо известные своей ролью в суставах, которые также играют важную функцию в мозговой пластичности, будучи неотъемлемой частью внеклеточного матрикса мозга, как это изначально было обнаружено группой доктора Александра Дитятева в 2001 году.

В 2007 году японское исследование описало наличие кластеров хондроитинсульфатов, имеющих округлую форму и разбросанных казалось бы случайным образом в мозге. Эта работа была забыта, однако, до тех пор, пока лаборатория трансляционной нейробиологии Сабины Берретты не вернула эти структуры в поле зрения научного сообщества, переименовав их в кластеры CS-6 (от хондроитинсульфат-6, который идентифицирует их точный молекулярный состав) и продемонстрировав, что эти структуры связаны с глиальными клетками и сильно снижены в мозгах людей с психотическими расстройствами.

Затем, в 2017 году, Габриэле Челини, только что принятый на работу в лабораторию Берретты, получил задание раскрыть функцию этих кластеров.

"Сначала мы исследовали эти структуры в деталях, визуализируя их с очень высоким разрешением. Мы обнаружили, что они по сути представляют собой кластеры синапсов, покрытых CS-6 и организованных в четко распознаваемую геометрическую форму. Затем мы выявили новый тип синаптической организации," рассказывают ученые.

"На этом этапе нам пришлось проявить некоторую 'экспериментальную креативность'; с помощью сочетания поведенческих, молекулярных и утонченных морфологических подходов мы поняли, что эти соединения, инкапсулированные в кластеры CS-6, изменяются в ответ на электрическую активность в мозге."

"Наконец, благодаря сотрудничеству с Александром Дитятевым из DZNE Магдебурга и усилиям Хади Мирзапурделавара из его группы, мы уменьшили экспрессию CS-6 в гиппокампе (области мозга, ответственной за пространственное обучение) и продемонстрировали, что присутствие CS-6 необходимо для синаптической пластичности и пространственной памяти," указывают Боцци и Челини.

"Эта работа прокладывает путь к новому взгляду на функционирование мозга. Возможно, все синапсы, образованные на разных нейронах внутри кластеров CS-6, имеют способность реагировать совместно на специфические внешние стимулы и участвуют в общей функции, направленной на процессы обучения и памяти," отмечают они.

"Они, кажется, представляют новый субстрат для интеграции информации и формирования ассоциаций на мультиклеточном уровне," добавляют Дитятев и Берретта.

Эта работа является результатом сотрудничества нескольких лабораторий, включая лабораторию трансляционной нейробиологии (Сабина Берретта; больница Маклин — Гарвардская медицинская школа, Бостон), лабораторию исследований нейроразвивающихся расстройств (Юрий Боцци; CIMeC — Междисциплинарный центр по изучению мозга, Университет Тренто) и лабораторию молекулярной нейропластичности (Александр Дитятев; DZNE Магдебург).