Teadlased tuvastasid uue neuroplastilise mehhanismi, mis on seotud õppimise ja mäluga

Neuronid on olulised, kuid nad pole selles protsessis ainsad osalejad. Tegelikult on just kõhr, mis koosneb närvirakkude välisküljel asuvatest rakuvälise maatriksi molekulide klastritest, mida nimetatakse kondroitiinsulfaatideks, ja millel on võtmeroll aju võimes teavet omandada ja salvestada.

Ajakirjas Cell Reports avaldatud uuring kirjeldab uut aju plastilisuse mehhanismi ehk seda, kuidas närviühendused muutuvad vastusena välistele stiimulitele. Artikli pealkiri on "Perisünaptilise maatriksi fokaalsed klastrid soodustavad aktiivsusest sõltuvat plastilisust ja mälu hiirtel".

See töö on Harvardi Meditsiinikooli, Trento Ülikooli ja Magdeburgis asuva Saksa Neurodegeneratiivsete Haiguste Keskuse (DZNE) koostöö tulemus.

„Meelelised oskused ja võime ümbritsevat keskkonda mõista sõltuvad ajutegevusest, mis võimaldab meil tajuda ja töödelda välismaailmast tulevaid stiimuleid. Aju kaudu suudame omandada ja salvestada uut teavet ning meeles pidada juba õpitud teavet,“ ütlevad Yuri Bozzi ja Gabriele Cellini.

"See põnev nähtus on võimalik tänu aju võimele pidevalt muuta närviühenduste (sünapside) struktuuri ja efektiivsust vastuseks välistele stiimulitele. Seda võimet nimetatakse sünaptiliseks plastilisuseks. Sünaptiliste muutuste toimumise ja õppimisele ja mälule kaasaaitamise mõistmine on üks neuroteaduse peamisi väljakutseid."

Yuri Bozzi on Trento ülikooli professor ja artikli kaasautor. Gabriele Cellini on uuringu esimene autor. Cellini alustas selle projektiga 2017. aastal järeldoktorandina Sabina Berretta laboris (McLeani haigla ja Harvardi meditsiinikool, Boston) ning viis teaduspublikatsiooni lõpule töötades järeldoktorandina Bozzi laboris Trento ülikoolis.

Uuringu keskmes on kondroitiinsulfaadid, molekulid, mis on tuntud oma rolli poolest liigestes ja millel on oluline roll ka aju plastilisuses, olles aju rakuvälise maatriksi lahutamatu osa, nagu dr Alexander Dityatevi töörühm algselt 2001. aastal avastas.

2007. aastal kirjeldas Jaapani uuring kondroitiinsulfaadi klastrite olemasolu, mis olid ümmargused ja pealtnäha juhuslikult laiali üle aju. Töö unustati aga seni, kuni Sabina Berretta translatsiooniline neuroteaduse labor tõi struktuurid taas teadusliku rambivalgusesse, nimetades need ümber CS-6 klastriteks (kondroitiinsulfaat-6, mis tähistab nende täpset molekulaarset koostist) ja näidates, et need struktuurid on seotud gliaalrakkudega ja nende hulk psühhootiliste häiretega inimeste ajus oluliselt vähenenud.

Seejärel, 2017. aastal, tehti Berretta laborisse äsja palgatud Gabriele Cellinile ülesandeks nende klastrite funktsioon välja selgitada.

"Uurisime neid struktuure esmalt üksikasjalikult, pildistades neid väga kõrge eraldusvõimega. Leidsime, et need olid sisuliselt CS-6-ga kaetud sünapside klastrid, mis olid organiseeritud selgelt äratuntavaks geomeetriliseks kujundiks. Seejärel tuvastasime uut tüüpi sünaptilise organisatsiooni," ütlevad teadlased.

"Sel hetkel pidime natuke "eksperimentaalselt loominguliseks" muutuma; kasutades käitumuslike, molekulaarsete ja keerukate morfoloogiliste lähenemisviiside kombinatsiooni, mõistsime, et need CS-6 klastritesse kapseldatud ühendid muutuvad vastusena aju elektrilisele aktiivsusele."

„Lõpuks, tänu koostööle Alexander Dityateviga DZNE Magdeburgist ja Hadi Mirzapurdelawari pingutustele tema grupist vähendasime CS-6 ekspressiooni hipokampuses (ajupiirkond, mis vastutab ruumilise õppimise eest) ja näitasime, et CS-6 olemasolu on vajalik sünaptilise plastilisuse ja ruumilise mälu jaoks,“ märgivad Bozzi ja Cellini.

„See töö sillutab teed uuele viisile ajufunktsioonide vaatlemiseks. On võimalik, et kõigil CS-6 klastrite erinevatel neuronitel moodustunud sünapsidel on võime reageerida koos konkreetsetele välistele stiimulitele ja osaleda ühises funktsioonis, mis on suunatud õppimisele ja mäluprotsessidele,“ märgivad nad.

"Need näivad esindavat uut substraati teabe integreerimiseks ja assotsiatsioonide moodustamiseks mitmerakulisel tasandil," lisavad Dityatev ja Berretta.

See töö on mitme labori koostöö tulemus, sealhulgas Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvardi Meditsiinikool, Boston), Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Juri Bozzi; CIMeC - Interdistsiplinaarne Aju Teaduse Keskus, Trento Ülikool) ja Molecular Neuroplasticity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).