På en sensommerdag i 1953 blev en ung mand, der snart ville blive kendt som patient H.M. gennemgik en eksperimentel operation. I et forsøg på at behandle hans svækkende anfald fjernede en kirurg dele af hjernen, inklusive en del af en struktur kaldet hippocampus. Beslaglæggelserne stoppede.

Desværre for patient H.M. gjorde tiden det også. Da han vågnede efter operationen, kunne han ikke længere danne nye langsigtede minder, på trods af at han bevarede normale kognitive evner, sprog og kortsigtet arbejdshukommelse. Patient H.M.s tilstand afslørede i sidste ende, at hjernens evne til at skabe langsigtede minder er en særskilt proces, der afhænger af hippocampus.

Forskere havde opdaget, hvor erindringer laves. Men hvordan de fremstilles forblev ukendt.

Nu har neurovidenskabere ved Harvard Medical School (HMS) taget et afgørende skridt i søgen efter at forstå biologien i langtidshukommelsen og finde måder at gribe ind, når hukommelsen underskriver. forekommer med alder eller sygdom.

Rapportering i naturen den 9. december beskriver de en nyligt identificeret mekanisme, som neuroner i den voksne mushippocampus bruger til at regulere signaler, de modtager fra andre neuroner, i en proces, der synes kritisk til hukommelseskonsolidering og tilbagekaldelse.

Undersøgelsen blev ledet af Lynn Yap, HMS-kandidatstuderende i neurobiologi, og Michael Greenberg, formand for neurobiologi i Blavatnik Institute ved HMS.

“Memory er afgørende for alle aspekter af den menneskelige eksistens. Spørgsmålet om, hvordan vi koder minder, der varer livet ud, er grundlæggende, og vores undersøgelse kommer til hjertet af dette fænomen, ”sagde Greenberg, HMS Nathan Marsh Pusey professor i neurobiologi og studere tilsvarende forfatter.

Forskerne ob tjente, at nye oplevelser aktiverer tynde populationer af neuroner i hippocampus, der udtrykker to gener, Fos og Scg2. Disse gener tillader neuroner at finjustere input fra såkaldte hæmmende interneuroner, celler, der dæmper neuronal excitation. På denne måde kan små grupper af forskellige neuroner danne vedvarende netværk med koordineret aktivitet som reaktion på en oplevelse.

“Denne mekanisme giver sandsynligvis neuroner mulighed for bedre at tale med hinanden, så næste gang en hukommelse skal huskes, neuronerne affyres mere synkront, “sagde Yap.” Vi tror, at sammenfaldende aktivering af dette Fos-medierede kredsløb potentielt er en nødvendig funktion til hukommelseskonsolidering, for eksempel under søvn og også hukommelsesgenkendelse i hjernen. “

Circuit orchestration

For at danne erindringer skal hjernen på en eller anden måde binde en oplevelse ind i neuroner, så når disse neuroner genaktiveres, kan den indledende oplevelse huskes. I deres undersøgelse satte Greenberg, Yap og team sig for at udforske denne proces ved at se på genet Fos.

Først beskrevet i neuronale celler af Greenberg og kolleger i 1986, udtrykkes Fos inden for få minutter efter at en neuron er aktiveret. Forskere har udnyttet denne egenskab ved at bruge Fos som en markør for nyere neuronal aktivitet til at identificere hjerneceller, der regulerer tørst, torpor og mange andre adfærd.

Forskere antog, at Fos kan spille en kritisk rolle i læring og hukommelse, men i årtier har genets nøjagtige funktion været et mysterium.

For at undersøge, udsatte forskerne mus for nye miljøer og så på pyramidale neuroner, de vigtigste celler i hippocampus. De fandt ud af, at relativt sparsomme populationer af neuroner udtrykte Fos efter eksponering for en ny oplevelse. Dernæst forhindrede de disse neuroner i at udtrykke Fos ved hjælp af et virusbaseret værktøj leveret til et specifikt område af hippocampus, hvilket efterlod andre celler upåvirket.

Mus, der havde Fos blokeret på denne måde, viste signifikante hukommelsesunderskud. når de blev vurderet i en labyrint, der krævede, at de husker rumlige detaljer, hvilket indikerer, at genet spiller en kritisk rolle i hukommelsesdannelse.

Forskerne studerede forskellene mellem neuroner, der udtrykte Fos, og dem, der ikke gjorde det. Ved hjælp af optogenetik til at slå input fra forskellige nærliggende neuroner til eller fra, opdagede de, at aktiviteten af Fos-udtrykkende neuroner var stærkest påvirket af to typer interneuroner.

Neuroner, der udtrykker Fos, viste sig at modtage øget aktivitet- dæmpning eller hæmning af signaler fra en særskilt type internuron og nedsat hæmmende signaler fra en anden type. Disse signalmønstre forsvandt i neuroner med blokeret Fos-ekspression.

“Hvad der er kritisk ved disse interneuroner er, at de kan regulere hvornår og hvor meget individuelle Fos-aktiverede neuroner affyrer, og også når de affyrer i forhold til andre neuroner i kredsløbet, ”sagde Yap.” Vi tror, at vi til sidst har et greb om, hvordan Fos faktisk kan understøtte hukommelsesprocesser, specifikt ved at orkestrere denne type kredsløbsplasticitet i hippocampus.”

Forestil dig dagen

Forskerne undersøgte yderligere funktionen af Fos, som koder for et transkriptionsfaktorprotein, der regulerer andre gener. De brugte enkeltcelle-sekventering og yderligere genomiske skærme til at identificere gener aktiveret af Fos og fandt, at især et gen, Scg2, spillede en kritisk rolle i reguleringen af inhiberende signaler.

Hos mus med eksperimentelt dæmpet Scg2, Fos -aktiverede neuroner i hippocampus udviste en defekt i signalering fra begge typer interneuroner. Disse mus havde også defekter i theta- og gammarytmer, hjerneegenskaber, der blev anset for at være kritiske træk ved indlæring og hukommelse.

Tidligere undersøgelser havde vist, at Scg2 koder for et neuropeptidprotein, der kan spaltes i fire forskellige former, som derefter udskilles. I den nuværende undersøgelse opdagede Yap og kolleger, at neuroner ser ud til at bruge disse neuropeptider til at finjustere input, de modtager fra interneuroner.

Sammen foreslår holdets eksperimenter, at en lille gruppe neuroner efter en ny oplevelse samtidig udtrykke Fos, aktivere Scg2 og dets afledte neuropeptider for at etablere et koordineret netværk med dets aktivitet reguleret af interneuroner.

“Når neuroner aktiveres i hippocampus efter en ny oplevelse, er de ikke nødvendigvis koblet sammen på en bestemt måde på forhånd, ”sagde Greenberg.” Men interneuroner har meget brede aksonale arbors, hvilket betyder, at de kan forbinde med og signalere til mange celler på én gang. Dette kan være, hvordan en sparsom gruppe neuroner kan knyttes sammen for i sidste ende at kode for en hukommelse. ”

Undersøgelsesresultaterne repræsenterer en mulig mekanisme på molekylært niveau og kredsløb til langtidshukommelse. De kaster nyt lys over den grundlæggende biologi ved hukommelsesdannelse og har brede konsekvenser for sygdomme med hukommelsesdysfunktion.

Forskerne bemærker dog, at mens resultaterne er et vigtigt skridt i vores forståelse af den indre funktion af hukommelse, der er mange ubesvarede spørgsmål om de nyligt identificerede mekanismer.

“Vi er ikke helt på svaret endnu, men vi kan nu se mange af de næste skridt, der skal tages,” sagde Greenberg. “Hvis vi bedre kan forstå denne proces, har vi nye håndtag i hukommelsen, og hvordan vi kan gribe ind, når ting går galt, hvad enten det er aldersrelateret hukommelsestab eller neurodegenerative lidelser som Alzheimers sygdom.”

Resultaterne repræsenterer også kulminationen på årtiers forskning, selvom de åbner nye undersøgelsesveje, der sandsynligvis vil tage årtier mere at udforske, tilføjede Greenberg.

“Jeg ankom til Harvard i 1986, ligesom mit papir, der beskriver opdagelse af, at neuronal aktivitet kan tænde gener, blev offentliggjort, ” han sagde. “Siden den tid har jeg forestillet mig den dag, hvor vi ville finde ud af, hvordan gener som Fos kan bidrage til langtidshukommelse.”

Yderligere forfattere inkluderer Noah Pettit, Christopher Davis, M. Aurel Nagy , David Harmin, Emily Golden, Onur Dagliyan, Cindy Lin, Stephanie Rudolph, Nikhil Sharma, Eric Griffith og Christopher Harvey.

Undersøgelsen blev støttet af National Institutes of Health (tilskud R01NS028829, R01NS115965, R01NS089521 , T32NS007473 og F32NS112455), et Stuart HQ og Victoria Quan-stipendium, et Harvard-institut for neurobiologi-stipendium, en Aramont Fund.