V pozdním letním dni roku 1953 se mladý muž, který bude brzy znám jako pacient H.M. podstoupil experimentální operaci. Ve snaze léčit jeho vysilující záchvaty mu chirurg odstranil části mozku, včetně části struktury zvané hippocampus. Záchvaty se zastavily.

Bohužel pro pacienta H.M. také čas. Když se po operaci probudil, nemohl si nadále vytvářet nové dlouhodobé vzpomínky, přestože si zachoval normální kognitivní schopnosti, jazyk a krátkodobou pracovní paměť. Stav pacienta H.M. nakonec odhalil, že schopnost mozku vytvářet dlouhodobé vzpomínky je zřetelný proces, který závisí na hipokampu.

Vědci objevili, kde se vzpomínky vytvářejí. Ale způsob, jakým jsou vyrobeny, zůstal neznámý.

Nyní neurologové na Harvardské lékařské fakultě (HMS) učinili rozhodující krok ve snaze porozumět biologii dlouhodobé paměti a najít způsoby, jak zasáhnout, když dojde k deficitu paměti vyskytují se s věkem nebo onemocněním.

Hlášení v přírodě 9. prosince popisují nový identifikovaný mechanismus, který neurony v hippocampu dospělých myší používají k regulaci signálů, které dostávají od jiných neuronů, v procesu, který se jeví jako kritický pro konsolidaci a odvolání paměti.

Studii vedli Lynn Yap, postgraduální student neurobiologie HMS, a Michael Greenberg, předseda neurobiologie v Blavatnik Institute v HMS.

„Paměť je nezbytná pro všechny aspekty lidské existence. Otázka, jak zakódujeme vzpomínky, které vydrží po celý život, je zásadní a naše studie se dostává k samotnému jádru tohoto jevu, “řekl Greenberg, profesor neurobiologie a NMS Marshana Puseyho studovat odpovídajícího autora.

Vědci ob sloužil, že nové zážitky aktivují řídké populace neuronů v hipokampu, které exprimují dva geny, Fos a Scg2. Tyto geny umožňují neuronům doladit vstupy z takzvaných inhibičních interneuronů, buněk, které tlumí neuronovou excitaci. Tímto způsobem mohou malé skupiny různorodých neuronů vytvářet trvalé sítě s koordinovanou aktivitou v reakci na zážitek.

„Tento mechanismus pravděpodobně umožňuje neuronům navzájem si lépe promluvit, takže příště je potřeba paměť je třeba si vzpomenout, neurony se střílejí synchronněji, „řekl Yap.„ Myslíme si, že náhodná aktivace tohoto obvodu zprostředkovaného Fos je potenciálně nezbytnou funkcí pro konsolidaci paměti, například během spánku, a také pro vyvolání paměti v mozku. „

Orchestrace obvodu

Aby se vytvořily vzpomínky, musí mozek nějak zapojit zážitek do neuronů, takže když se tyto neurony znovu aktivují, lze si vzpomenout na počáteční zážitek. Ve své studii se Greenberg, Yap a tým rozhodli prozkoumat tento proces zkoumáním genu Fos.

Poprvé popsaný v neuronálních buňkách Greenbergem a kolegy v roce 1986, Fos je exprimován během několika minut po neuronu aktivován. Vědci využili této vlastnosti a použili Fos jako marker nedávné neuronální aktivity k identifikaci mozkových buněk, které regulují žízeň, strnulost a mnoho dalšího chování.

Vědci předpokládali, že Fos může hrát zásadní roli při učení a paměť, ale po celá desetiletí zůstala přesná funkce genu záhadou.

Vědci zkoumali, jak vystavit myši novému prostředí a podívat se na pyramidové neurony, hlavní buňky hipokampu. Zjistili, že relativně řídké populace neuronů exprimovaly Fos po expozici nové zkušenosti. Dále zabránili těmto neuronům v expresi Fos pomocí virového nástroje dodávaného do specifické oblasti hipokampu, který ponechal ostatní buňky nedotčené.

Myši, které tímto způsobem blokovaly Fos, vykazovaly významné deficity paměti. při hodnocení v bludišti, které vyžadovalo, aby si vybavily prostorové detaily, což naznačuje, že gen hraje zásadní roli při formování paměti.

Vědci studovali rozdíly mezi neurony, které exprimovaly Fos, a těmi, které ne. Pomocí optogenetiky k zapnutí nebo vypnutí vstupů z různých blízkých neuronů zjistili, že aktivita neuronů exprimujících Fos byla nejvíce ovlivněna dvěma typy interneuronů.

Bylo zjištěno, že neurony exprimující Fos dostávají zvýšenou aktivitu tlumící nebo inhibiční signály z jednoho odlišného typu interneuronu a snížené inhibiční signály z jiného typu. Tyto signální vzorce zmizely v neuronech s blokovanou expresí Fos.

„Co je kritické na těchto interneuronech je, že mohou regulovat, kdy a kolik jednotlivých neuronů aktivovaných Fos vystřelí, a také když vystřelí ve vztahu k jiným neuronům v obvod, „řekl Yap.„ Myslíme si, že konečně máme řešení, jak může Fos ve skutečnosti podporovat paměťové procesy, konkrétně zorganizováním tohoto typu plasticity obvodu v hipokampu.”

Představte si den

Vědci dále zkoumali funkci Fos, který kóduje protein transkripčního faktoru, který reguluje jiné geny. Použili jednobuněčné sekvenování a další genomové testy k identifikaci genů aktivovaných Fos a zjistili, že zejména jeden gen, Scg2, hrál klíčovou roli v regulaci inhibičních signálů.

U myší s experimentálně umlčeným Scg2, Fos -aktivované neurony v hipokampu vykazovaly poruchu v signalizaci z obou typů interneuronů. Tyto myši také měly defekty v theta a gama rytmu, což jsou vlastnosti mozku považované za kritické rysy učení a paměti.

Předchozí studie ukázaly, že Scg2 kóduje neuropeptidový protein, který lze štěpit do čtyř odlišných forem, které jsou poté vylučovány. V současné studii Yap a kolegové zjistili, že se zdá, že neurony používají tyto neuropeptidy k doladění vstupů, které dostávají od interneuronů.

Experimenty týmu společně naznačují, že po nové zkušenosti bude malá skupina neuronů současně exprimují Fos, aktivují Scg2 a jeho odvozené neuropeptidy, aby vytvořili koordinovanou síť s jeho aktivitou regulovanou interneurony.

„Když jsou neurony aktivovány v hipokampu po nové zkušenosti, nemusí to být nutně spojeny dohromady jakýmkoli konkrétním způsobem předem, „řekl Greenberg.„ Interneurony však mají velmi široké axonální trny, což znamená, že se mohou spojit a signalizovat mnoho buněk najednou. Tímto způsobem lze propojit řídkou skupinu neuronů, která nakonec zakóduje paměť. “

Výsledky studie představují možný mechanismus dlouhodobé paměti na úrovni molekul a obvodů. Vrhají nové světlo na základní biologii formování paměti a mají široké důsledky pro onemocnění paměti.

Vědci však poznamenávají, že zatímco výsledky jsou důležitým krokem v našem chápání vnitřního fungování paměti, zůstává mnoho nezodpovězených otázek ohledně nově identifikovaných mechanismů.

„Zatím nejsme zcela zodpovězeni, ale nyní vidíme mnoho dalších kroků, které je třeba podniknout,“ řekl Greenberg. „Pokud dokážeme lépe porozumět tomuto procesu, budeme mít nové postupy v oblasti paměti a toho, jak zasáhnout, když se něco pokazí, ať už při ztrátě paměti související s věkem nebo neurodegenerativních poruchách, jako je Alzheimerova choroba.“

Zjištění představují také vyvrcholení desetiletí výzkumu, i když otevírají nové cesty ke studiu, které bude pravděpodobně trvat ještě několik desetiletí, “dodal Greenberg.

„ Na Harvard jsem dorazil v roce 1986, stejně jako můj příspěvek popisující byl zveřejněn objev, že neuronální aktivita může zapnout geny, “ řekl. „Od té doby si představuji den, kdy bychom zjistili, jak by geny jako Fos mohly přispět k dlouhodobé paměti.“

Mezi další autory patří Noah Pettit, Christopher Davis, M. Aurel Nagy , David Harmin, Emily Golden, Onur Dagliyan, Cindy Lin, Stephanie Rudolph, Nikhil Sharma, Eric Griffith a Christopher Harvey.

Studii podpořili National Institutes of Health (granty R01NS028829, R01NS115965, R01NS089521 , T32NS007473 a F32NS112455), stipendium Stuart HQ a Victoria Quan, stipendijní pobyt na Harvardově katedře neurobiologie, fond Aramont.