Новый инструмент показывает, что происходит, когда мы учимся
Сигналы левого и правого мозга

Исследователи Scripps Research создали новый инструмент для мониторинга пластичности мозга.

Исследователи Scripps Research изучили, как уровни различных белков в клетках мозга изменяются в ответ на активность мозга.

Ученые Научно-исследовательского института Скриппса создали новый инструмент для мониторинга пластичности мозга — процесса, посредством которого наш мозг перестраивается и физически приспосабливается, когда мы изучаем и испытываем что-то новое, например, смотрим фильм или изучаем новую песню или язык. Их метод, который исследует белки, генерируемые различными типами клеток мозга, может дать фундаментальное объяснение того, как функционирует мозг, а также дать представление о многих заболеваниях мозга, при которых пластичность нарушается.

Предыдущие исследования, проведенные в ряде лабораторий, показали, как активность мозга вызывает изменения в экспрессии генов в нейронах, что является ранним этапом пластичности. Исследование группы, которое недавно было опубликовано в Journal of Neuroscience , сосредоточено на следующем важном этапе пластичности — преобразовании генетического кода в белки.

«Мы до сих пор не понимаем всех механизмов, лежащих в основе того, как клетки нашего мозга изменяются в ответ на события, но этот подход дает нам новое окно в процесс», — говорит Холлис Клайн, доктор философии, профессор Хана и заведующий кафедрой Неврология в Scripps Research и старший автор новой работы.

Когда вы изучаете что-то новое, происходят две вещи: во-первых, нейроны в вашем мозгу немедленно передают электрические сигналы по новым нервным путям. В конечном итоге это приводит к изменениям физической структуры клеток мозга и их связей. Но долгое время ученые задавались вопросом, что происходит между этими двумя шагами. Как мозг в конечном итоге претерпевает более существенные изменения в результате этой электрической активности нейронов? Кроме того, как и почему эта пластичность ухудшается с возрастом и некоторыми заболеваниями?

Ранее исследователи изучали, как гены в нейронах включаются и выключаются в ответ на активность мозга, надеясь получить представление о пластичности. С появлением высокопроизводительных технологий секвенирования генов отслеживать гены таким образом стало относительно легко. Но большинство этих генов кодируют белки — настоящие рабочие лошадки клеток, уровень которых сложнее контролировать. Но Клайн в тесном сотрудничестве с профессором Скриппса Джоном Йейтсом III, доктором философии, и адъюнкт-профессором Антоном Максимовым, доктором философии, хотел непосредственно взглянуть на то, как изменяются белки в мозге.

«Мы хотели нырнуть в глубокий бассейн и посмотреть, какие белки важны для пластичности мозга», — говорит Клайн.

Команда разработала систему, в которой они могли вводить специально помеченную аминокислоту — один из строительных блоков белков — в один тип нейрона за раз. По мере того как клетки производили новые белки, они включали эту аминокислоту, азидонорлейцин, в свои структуры. Отслеживая, какие белки содержат азидонорлейцин с течением времени, исследователи могли отслеживать новые белки и отличать их от ранее существовавших белков.

Группа Клайна использовала азидонорлейцин для отслеживания того, какие белки были произведены после того, как мыши испытали большой и широко распространенный всплеск мозговой активности, имитируя то, что происходит в меньшем масштабе, когда мы воспринимаем окружающий мир. Команда сосредоточилась на кортикальных глутаматергических нейронах, основном классе клеток мозга, ответственных за обработку сенсорной информации.

После увеличения нервной активности исследователи обнаружили, что в нейронах изменились уровни 300 различных белков. В то время как две трети увеличивались во время всплеска мозговой активности, синтез оставшейся трети снижался. Анализируя роли этих так называемых «белков-кандидатов пластичности», Клайн и ее коллеги смогли получить общее представление о том, как они могут влиять на пластичность. Например, многие белки связаны со структурой и формой нейронов, а также с тем, как они взаимодействуют с другими клетками. Эти белки предложили способы, с помощью которых активность мозга может немедленно начать влиять на связи между клетками.

Кроме того, ряд белков был связан с тем, как ДНК упакована внутри клеток; изменение этой упаковки может изменить гены, к которым клетка может получить доступ и использовать в течение длительного периода времени. Это указывает на то, что очень короткий всплеск мозговой активности может привести к более устойчивому ремоделированию мозга.

«Это четкий механизм, с помощью которого изменение активности мозга может привести к волнам экспрессии генов в течение многих дней», — говорит Клайн.

Исследователи надеются использовать этот метод для обнаружения и изучения дополнительных белков-кандидатов пластичности, например тех, которые могут изменяться в различных типах клеток мозга после того, как животные видят новый визуальный стимул. Клайн говорит, что их инструмент также может дать представление о заболеваниях мозга и старении путем сравнения того, как активность мозга влияет на выработку белка в молодом и пожилом возрасте, а также в здоровом и больном мозге.

Ссылка: «Зарождающиеся белки корковых глутаматергических нейронов, индуцированные активностью», Лучио М. Скиаппарелли, Йи Се, Пранав Шарма, Дэниел Б. Макклатчи, Юаньхуи Ма, Джон Р. Йейтс 3-й, Антон Максимов и Холлис Т. Клайн, 19 октября 2022 г., JNeurosci .
DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0707-22.2022

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения, Фондом семьи Хан и благотворительным фондом Центра нейробиологии Гарольда Л. Дорриса.

Мозг
Дата публикации: 2022.11.26