Исследования выявляют в мозгу «регулятор громкости», который поддерживает обучение и память

Согласно исследованию Дартмута, «ручка молекулярного объема», регулирующая электрические сигналы в мозге, помогает в обучении и памяти.

Молекулярная система контролирует ширину электрических сигналов, которые проходят через синапсы между нейронами.

Обнаружение механизма контроля и идентификация молекулы, которая его регулирует, может помочь исследователям в их поисках способов лечения неврологических расстройств, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и эпилепсию.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences , описывает первое исследование того, как формы электрических сигналов влияют на работу синапсов.

«Синапсы в нашем мозгу очень динамичны и говорят шепотом и криком», — сказал Майкл Хоппа, доцент биологических наук в Дартмуте и руководитель исследования. «Это открытие ставит нас на более прямой путь к лечению стойких неврологических расстройств».

Синапсы — это крошечные точки контакта, которые позволяют нейронам мозга общаться на разных частотах. Мозг преобразует электрические сигналы нейронов в химические нейротрансмиттеры, которые перемещаются через эти синаптические пространства.

Количество выпущенного нейротрансмиттера изменяет количество и структуру нейронов, активируемых в цепях мозга. Изменение силы синаптических связей — вот как происходит обучение и как формируются воспоминания.

Две функции поддерживают эти процессы памяти и обучения. Один, известный как фасилитация, представляет собой серию все более быстрых всплесков, которые усиливают сигналы, изменяющие форму синапса. Другой, депрессия, снижает сигналы. Вместе эти две формы пластичности поддерживают баланс мозга и предотвращают неврологические расстройства, такие как судороги.

«С возрастом очень важно иметь возможность поддерживать укрепленные синапсы. Нам нужен хороший баланс пластичности нашего мозга, но также и стабилизация синаптических связей», — сказал Хоппа.

Исследование было сосредоточено на гиппокампе, центре мозга, который отвечает за обучение и память.

В ходе исследования группа исследователей обнаружила, что электрические импульсы передаются в виде аналоговых сигналов, форма которых влияет на величину химического нейромедиатора, выделяемого через синапсы. Этот механизм работает аналогично светорегулирующему устройству с переменными настройками. Предыдущие исследования считали, что шипы должны передаваться как цифровой сигнал, больше похожий на выключатель света, который работает только в положениях «включено» и «выключено».

«Обнаружение того, что эти электрические шипы являются аналоговыми, открывает наше понимание того, как мозг работает, чтобы формировать память и обучение», — сказал Ин Ха Чо, научный сотрудник из Дартмута и первый автор исследования. «Использование аналоговых сигналов обеспечивает более простой способ модуляции мощности мозговых цепей».

Нобелевский лауреат Эрик Кандел провел работу по изучению связи между обучением и изменением формы электрических сигналов у морских слизней в 1970 году. Считалось, что этот процесс не происходит в более сложных синапсах, обнаруженных в мозгу млекопитающих в то время.

Помимо открытия, что электрические сигналы, которые проходят через синапсы в гиппокампе мозга, являются аналоговыми, исследование Дартмута также выявило молекулу, которая регулирует электрические сигналы.

Ранее было показано, что молекула, известная как Kvβ1, регулирует калиевые токи, но не было известно, что она играет какую-либо роль в синапсе, контролирующем форму электрических сигналов. Эти результаты помогают объяснить, почему ранее было показано, что потеря молекул Kvβ1 негативно влияет на обучение, память и сон у мышей и плодовых мух.

Исследование также раскрывает процессы, которые позволяют мозгу иметь такую ​​высокую вычислительную мощность при такой низкой энергии. Один аналоговый электрический импульс может нести многобитовую информацию, что позволяет лучше управлять низкочастотными сигналами.

«Это помогает нам понять, как наш мозг может работать на суперкомпьютерных уровнях с гораздо более низкой частотой электрических импульсов и энергией, эквивалентной лампочке холодильника. Чем больше мы узнаем об этих уровнях контроля, это помогает нам понять, как наш мозг настолько эффективны », — сказал Хоппа.

На протяжении десятилетий исследователи искали молекулярные регуляторы синаптической пластичности, сосредоточив внимание на молекулярном механизме химического высвобождения. До сих пор измерения электрических импульсов было трудно наблюдать из-за небольшого размера нервных окончаний.

Новое открытие стало возможным благодаря технологии, разработанной в Дартмуте для измерения напряжения и высвобождения нейротрансмиттеров с помощью методов, использующих свет для измерения электрических сигналов в синаптических связях между нейронами мозга.

В своей будущей работе команда будет стремиться определить, как это открытие связано с изменениями метаболизма мозга, которые происходят во время старения и вызывают общие неврологические расстройства.

По словам исследовательской группы, молекулярная система существует в области мозга, которая легко поражается фармацевтическими препаратами и может быть использована для разработки лекарств.

Финансирование этого исследования было обеспечено за счет премии National Science CAREER и стипендии Klingenstein-Simons Fellowship.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Дартмутским колледжем . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. В Ха Чо, Лорен С. Панзера, Морвен Чин, Скотт А. Альпизар, Хенаро Э. Ольведа, Роберт А. Хилл, Майкл Б. Хоппа. Субъединица калиевого канала Kvβ1 служит основной контрольной точкой для синаптического облегчения . Труды Национальной академии наук , 2020; 202000790 DOI: 10.1073 / pnas.2000790117