Αυτές οι ανώριμες συνδέσεις μπορούν να εξηγήσουν πώς ο ενήλικας εγκέφαλος είναι σε θέση να σχηματίζει νέες μνήμες και να απορροφά νέες πληροφορίες.
Νευροεπιστήμονες του MIT ανακάλυψαν ότι ο ενήλικας εγκέφαλος περιέχει εκατομμύρια "σιωπηλές συνάψεις", δηλαδή ανώριμες συνδέσεις μεταξύ νευρώνων που παραμένουν ανενεργές μέχρι να ενεργοποιηθούν για να βοηθήσουν στη δημιουργία νέων αναμνήσεων.
Μέχρι τώρα πιστευόταν ότι οι σιωπηλές συνάψεις υπήρχαν μόνο κατά τη διάρκεια της πρώιμης ανάπτυξης, όταν βοηθούν τον εγκέφαλο να μάθει τις νέες πληροφορίες στις οποίες εκτίθεται νωρίς στη ζωή του. Ωστόσο, η νέα μελέτη του ΜΙΤ αποκάλυψε ότι στα ενήλικα ποντίκια, περίπου το 30% όλων των συνάψεων στο φλοιό του εγκεφάλου είναι σιωπηλές.
Η ύπαρξη αυτών των σιωπηλών συνάψεων μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς ο ενήλικας εγκέφαλος είναι σε θέση να σχηματίζει συνεχώς νέες μνήμες και να μαθαίνει νέα πράγματα χωρίς να χρειάζεται να τροποποιήσει τις υπάρχουσες συμβατικές συνάψεις, λένε οι ερευνητές.
Αυτές οι σιωπηλές συνάψεις αναζητούν νέες συνδέσεις και όταν παρουσιάζονται σημαντικές νέες πληροφορίες, οι συνδέσεις μεταξύ των σχετικών νευρώνων ενισχύονται. Αυτό επιτρέπει στον εγκέφαλο να δημιουργεί νέες μνήμες χωρίς να αντικαθιστά τις σημαντικές μνήμες που είναι αποθηκευμένες στις ώριμες συνάψεις, οι οποίες είναι πιο δύσκολο να αλλάξουν, λέει η Δήμητρα Βαρδαλάκη, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του ΜΙΤ και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης.
Ο Mαρκ Χάρνετ, Αναπληρωτής Καθηγητής Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών και μέλος του Ινστιτούτου McGovern Institute for Brain Research του ΜΙΤ, είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύεται στο Nature. Ο Κουανγκούν Τσανγκ, Αναπληρωτής Καθηγητής χημικής μηχανικής στο ΜΙΤ, είναι επίσης συγγραφέας.
Μια εκπληκτική ανακάλυψη
Όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά τις σιωπηλές συνάψεις πριν από δεκαετίες, αυτές παρατηρήθηκαν κυρίως στους εγκεφάλους νεαρών ποντικών και άλλων ζώων. Κατά τη διάρκεια της πρώιμης ανάπτυξης, αυτές οι συνάψεις πιστεύεται ότι βοηθούν τον εγκέφαλο να αποκτήσει τον τεράστιο όγκο πληροφοριών που χρειάζονται τα μωρά για να μάθουν για το περιβάλλον τους και πώς να αλληλεπιδρούν με αυτό. Στα ποντίκια, οι συνάψεις αυτές πιστεύεται ότι εξαφανίζονται σε ηλικία περίπου 12 ημερών (που αντιστοιχεί στους πρώτους μήνες της ανθρώπινης ζωής).
Ωστόσο, ορισμένοι νευροεπιστήμονες έχουν προτείνει ότι οι σιωπηλές συνάψεις μπορεί να παραμένουν και στην ενήλικη ζωή και να βοηθούν στο σχηματισμό νέων αναμνήσεων. Αποδείξεις γι' αυτό έχουν παρατηρηθεί σε ζωικά μοντέλα εθισμού, ο οποίος θεωρείται σε μεγάλο βαθμό διαταραχή της ανώμαλης μάθησης.
Η θεωρητική εργασία στον τομέα αυτό από τους Στέφανο Φούζι και Λάρι Άμποτ του Πανεπιστημίου Κολούμπια έχει επίσης προτείνει ότι οι νευρώνες πρέπει να εμφανίζουν ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών μηχανισμών πλαστικότητας για να εξηγήσουν πώς οι εγκέφαλοι μπορούν να μαθαίνουν τόσο αποτελεσματικά νέα πράγματα όσο και να τα διατηρούν στη μακροπρόθεσμη μνήμη. Σε αυτό το σενάριο, ορισμένες συνάψεις πρέπει να εγκαθίστανται ή να τροποποιούνται εύκολα, για να σχηματίζονται οι νέες μνήμες, ενώ άλλες πρέπει να παραμένουν πολύ πιο σταθερές, για να διατηρούνται οι μακροπρόθεσμες μνήμες.
Στη νέα μελέτη, η ομάδα του ΜΙΤ δεν έθεσε ειδικά ως στόχο την αναζήτηση σιωπηλών συνάψεων. Αντίθετα, παρακολουθούσαν ένα ενδιαφέρον εύρημα από προηγούμενη μελέτη στο εργαστήριο του Χάρνετ. Στην εν λόγω εργασία, οι ερευνητές έδειξαν ότι μέσα σε έναν μόνο νευρώνα, οι δενδρίτες -εκτάσεις που μοιάζουν με κεραίες και προεξέχουν από τους νευρώνες- μπορούν να επεξεργάζονται συναπτικές εισροές με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με τη θέση τους.
Στο πλαίσιο αυτής της μελέτης, οι ερευνητές προσπάθησαν να μετρήσουν υποδοχείς νευροδιαβιβαστών σε διαφορετικές δενδριτικές διακλαδώσεις, για να δουν αν αυτό θα βοηθούσε να εξηγηθούν οι διαφορές στη συμπεριφορά τους. Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται eMAP (epitope-preserving Magnified Analysis of the Proteome), η οποία αναπτύχθηκε από τον Τσανγκ. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές μπορούν να επεκτείνουν φυσικά ένα δείγμα ιστού και στη συνέχεια να επισημάνουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες στο δείγμα, καθιστώντας δυνατή τη λήψη εικόνων υπερ-υψηλής ανάλυσης.
Ενώ πραγματοποιούσαν αυτή την απεικόνιση, έκαναν μια εκπληκτική ανακάλυψη. Το πρώτο πράγμα που είδαμε, το οποίο ήταν εξαιρετικά παράξενο και δεν το περιμέναμε, ήταν ότι υπήρχαν παντού «filopodia» δηλαδή μακριές, λεπτές κυτταρικές προεξοχές, λέει ο Harnett.
Τα filopodia, οι λεπτές προεξοχές της μεμβράνης που εκτείνονται από τους δενδρίτες, έχουν παρατηρηθεί και στο παρελθόν, αλλά οι νευροεπιστήμονες δεν γνώριζαν τι ακριβώς κάνουν. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι είναι τόσο μικροσκοπικά που είναι δύσκολο να τα δει κανείς με τις παραδοσιακές τεχνικές απεικόνισης.
Αφού έκανε αυτή την παρατήρηση, η ομάδα του ΜΙΤ ξεκίνησε να προσπαθήσει να βρει τα filopodia σε άλλα μέρη του ενήλικου εγκεφάλου, χρησιμοποιώντας την τεχνική eMAP. Προς έκπληξή τους, βρήκαν filopodia στον οπτικό φλοιό των ποντικών και σε άλλα μέρη του εγκεφάλου, σε επίπεδο 10 φορές υψηλότερο από ό,τι είχε παρατηρηθεί προηγουμένως. Διαπίστωσαν επίσης ότι τα filopodia είχαν υποδοχείς νευροδιαβιβαστών που ονομάζονται υποδοχείς NMDA, αλλά όχι υποδοχείς AMPA.
Μια τυπική ενεργή σύναψη έχει και τους δύο αυτούς τύπους υποδοχέων, οι οποίοι δεσμεύουν τον νευροδιαβιβαστή γλουταμινικό οξύ. Οι υποδοχείς NMDA απαιτούν κανονικά συνεργασία με τους υποδοχείς AMPA για να περάσουν σήματα, επειδή οι υποδοχείς NMDA μπλοκάρονται από ιόντα μαγνησίου στο κανονικό δυναμικό ηρεμίας των νευρώνων. Έτσι, όταν δεν υπάρχουν υποδοχείς ΑΜΡΑ, οι συνάψεις που διαθέτουν μόνο υποδοχείς NMDA δεν μπορούν να περάσουν ηλεκτρικό ρεύμα και αναφέρονται ως "σιωπηλές".
Διαβάστε σχετικά: Πώς τα τωρινά συναισθήματά μας επηρεάζουν τις ευτυχισμένες αναμνήσεις του παρελθόντος
Αποσύνδεση των συνάψεων
Για να διερευνήσουν αν αυτές οι κυτταρικές προεξοχές μπορεί να είναι σιωπηλές συνάψεις, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τροποποιημένη εκδοχή μιας πειραματικής τεχνικής γνωστής ως patch clamping. Αυτό τους επέτρεψε να παρακολουθούν την ηλεκτρική δραστηριότητα που παράγεται σε μεμονωμένα filopodia καθώς προσπαθούσαν να τα διεγείρουν μιμούμενοι την απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή γλουταμινικού οξύ από έναν γειτονικό νευρώνα.
Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το γλουταμινικό οξύ δεν θα δημιουργούσε κανένα ηλεκτρικό σήμα στο filopodium που θα λάμβανε την είσοδο, εκτός εάν οι υποδοχείς NMDA ξεμπλοκαρίζονταν πειραματικά. Αυτό προσφέρει ισχυρή υποστήριξη στη θεωρία ότι τα filopodia αντιπροσωπεύουν σιωπηλές συνάψεις μέσα στον εγκέφαλο, λένε οι ερευνητές.
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι μπορούσαν να "αδρανοποιήσουν" αυτές τις συνάψεις συνδυάζοντας την απελευθέρωση γλουταμινικού οξύ με ηλεκτρικό ρεύμα προερχόμενο από το σώμα του νευρώνα. Αυτή η συνδυασμένη διέγερση οδηγεί σε συσσώρευση υποδοχέων ΑΜΡΑ στη σιωπηλή σύναψη, επιτρέποντάς της να σχηματίσει μια ισχυρή σύνδεση με τον κοντινό άξονα που απελευθερώνει γλουταμινικό οξύ.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μετατροπή των σιωπηλών συνάψεων σε ενεργές συνάψεις ήταν πολύ πιο εύκολη από την αλλαγή των ώριμων συνάψεων.
Αν ξεκινήσετε με μια ήδη λειτουργική σύναψη, αυτό το πρωτόκολλο πλαστικότητας δεν λειτουργεί, λέει ο Χάρνετ. Οι συνάψεις στον ενήλικο εγκέφαλο έχουν πολύ υψηλότερο κατώφλι, προφανώς επειδή θέλετε αυτές οι μνήμες να είναι αρκετά ανθεκτικές. Δεν θέλετε να αντικαθίστανται συνεχώς. Τα filopodia, από την άλλη πλευρά, μπορούν να δεσμευθούν για να σχηματίσουν νέες μνήμες.
"Ευέλικτες και ανθεκτικές"
Τα ευρήματα προσφέρουν υποστήριξη στη θεωρία που πρότειναν οι Άμποτ και Φούζι ότι ο ενήλικας εγκέφαλος περιλαμβάνει εξαιρετικά πλαστικές συνάψεις που μπορούν να προσληφθούν για να σχηματίσουν νέες μνήμες, λένε οι ερευνητές.
Αυτή η εργασία είναι, απ' όσο γνωρίζω, η πρώτη πραγματική απόδειξη ότι έτσι λειτουργεί στην πραγματικότητα σε έναν εγκέφαλο θηλαστικών, λέει ο Χάρνετ. Τα filopodia επιτρέπουν σε ένα σύστημα μνήμης να είναι τόσο ευέλικτο όσο και ανθεκτικό. Χρειάζεται ευελιξία για την απόκτηση νέων πληροφοριών, αλλά χρειάζεται επίσης σταθερότητα για τη διατήρηση των σημαντικών πληροφοριών.
Οι ερευνητές αναζητούν τώρα ενδείξεις αυτών των σιωπηλών συνάψεων σε ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό. Ελπίζουν επίσης να μελετήσουν αν ο αριθμός ή η λειτουργία αυτών των συνάψεων επηρεάζεται από παράγοντες όπως η γήρανση ή η νευροεκφυλιστική νόσος.
Είναι απολύτως πιθανό ότι, αλλάζοντας την ποσότητα της ευελιξίας που έχετε σε ένα σύστημα μνήμης, θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο δύσκολο να αλλάξετε τις συμπεριφορές και τις συνήθειές σας ή να ενσωματώσετε νέες πληροφορίες, λέει ο Χάρνετ. Θα μπορούσατε επίσης να φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να βρείτε μερικούς από τους μοριακούς παράγοντες που εμπλέκονται στα filopodia και να προσπαθήσετε να χειριστείτε μερικά από αυτά τα πράγματα για να προσπαθήσετε να αποκαταστήσετε την ευέλικτη μνήμη καθώς γερνάτε.
Απόδοση - Επιμέλεια: PsychologyNow.gr
Πηγή
*Απαγορεύεται ρητώς η αναπαραγωγή χωρίς προηγούμενη άδεια των υπευθύνων της ιστοσελίδας*
