Исследования на мышах выявили молекулярные механизмы, лежащие в основе пространственного картирования в мозгу

Прочитано: 151 раз(а)


Каждый раз, когда мы отправляемся в новое место, встроенный в наш мозг GPS немедленно срабатывает и начинает формировать пространственную карту нашего окружения. В течение нескольких дней и даже недель эта карта может стать воспоминанием, которое мы можем вспомнить, чтобы легче ориентироваться всякий раз, когда мы возвращаемся в это конкретное место.

То, как мозг формирует эти пространственные карты, поразительно сложно — процесс, который включает сложное молекулярное взаимодействие между генами, белками и нервными цепями для формирования поведения. Возможно, неудивительно, что точные шаги этого многопользовательского взаимодействия ускользнули от нейробиологов.

Теперь ученые благодаря сотрудничеству нескольких лабораторий в Институте Блаватника при Гарвардской медицинской школе добились значительного прогресса в понимании молекулярных механизмов, которые участвуют в создании пространственных карт в мозге.

Новое исследование, проведенное на мышах и опубликованное 24 августа в журнале Nature, устанавливает, что ген под названием Fos является ключевым игроком в пространственном картировании, помогая мозгу использовать специализированные навигационные клетки для формирования и поддержания стабильных представлений об окружающей среде.

«Это исследование соединяет разные уровни понимания, чтобы установить довольно прямую связь между молекулами и функцией цепей поведения и памяти », — сказал старший автор Кристофер Харви, доцент нейробиологии в HMS. «Здесь мы можем понять, что на самом деле лежит в основе формирования и стабильности пространственных карт».

Если результаты перенесут на людей, они предоставят важную новую информацию о том, как наш мозг создает пространственные карты. В конце концов, эти знания могут помочь ученым лучше понять, что происходит, когда этот процесс нарушается, как это часто происходит в результате травмы головного мозга или нейродегенерации.

Карты памяти

Гиппокамп расположен глубоко в височной доле мозга и играет важную роль в обучении, памяти и навигации для многих видов, включая мышей и людей. Ученым давно известно, что для навигации гиппокамп содержит специализированные нейроны, называемые клетками места, которые выборочно активизируются, когда животное находится в разных точках пространства. Включаясь и выключаясь по мере того, как животное перемещается в окружающей среде, клетки места, по сути, создают карту окружающего пространства, которую можно включить в память.

«Моя лаборатория изучала пространственную навигацию в течение многих лет, в том числе то, как клетки места формируют карту окружающей среды и формируют пространственные воспоминания», — сказал Харви, и все же «молекулярные механизмы, лежащие в основе этих процессов, было трудно изучать у животных».

Чтобы изучить молекулярный каскад, участвующий в этом процессе картирования, Харви и первый автор Ноа Петтит, научный сотрудник в области нейробиологии в лаборатории Харви, объединились с со-старшим автором Майклом Гринбергом, профессором нейробиологии Натана Марша Пьюзи в HMS, и автором Линн Яп, выпускник Гарвардского доктора философии. Программа по неврологии, которая защитила докторскую диссертацию в лаборатории Гринберга.

Лаборатория Гринберга изучает ген Fos , который кодирует белок фактора транскрипции, регулирующий экспрессию других генов. В предыдущем исследовании Гринберг и его коллеги показали, что Fos экспрессируется через несколько минут после активации нейрона, что делает его полезным маркером нейронной активности в мозге. Они также продемонстрировали, что Fos действует как посредник для различных типов нейронной пластичности, включая навигацию и формирование памяти. Однако взаимосвязь между клетками Fos и place в гиппокампе неизвестна.

Исследователи задались вопросом, может ли Фос участвовать в том, как мыши формируют пространственные карты, ориентируясь в окружающей среде.

Чтобы выяснить это, команда использовала технику, разработанную в лаборатории Харви, которая помещает мышей в лабиринт виртуальной реальности : мышь бежит по мячу и смотрит на большой объемный экран, на котором отображается задача пространственной навигации, например решение лабиринта, чтобы найти награда. Когда мышь бегает по мячу и выполняет задание, исследователи регистрируют нейронную активность и изменения экспрессии Fos в гиппокампе.

В том, что Гринберг назвал «техническим проявлением силы», Петтит провел серию сложных экспериментов, чтобы раскрыть связь между Fos и клетками места. Команда обнаружила, что через несколько часов после того, как мышь выполнила навигационную задачу, нейроны с высокой экспрессией Fos с большей вероятностью сформировали точные поля места — кластеры клеток места, которые сигнализируют о пространственном положении, — чем нейроны с низкой экспрессией Fos . Более того, нейроны с высокой экспрессией Fos имели поля места, которые с течением времени были более надежными в определении пространственного положения, когда мышь повторяла задачу в последующие дни.

«Это говорит нам о том, что от момента к моменту, когда мышь перемещается, нейроны, которые индуцируют Fos , имеют очень надежную информацию о пространственном положении мыши, которая является ключевой переменной, необходимой для решения и запоминания задачи», — объяснил Петтит. .

Когда исследователи отключили Fos в подмножестве нейронов гиппокампа, они обнаружили, что эти клетки имеют менее точные пространственные карты окружающей среды, чем близлежащие нейроны с нормальной экспрессией Fos . Кроме того, карты в клетках, в которых отсутствовал Fos , были менее стабильны в течение дня и, следовательно, менее надежны в качестве воспоминаний об окружающей среде.

« Похоже, что Fos важен для поддержания стабильности и точности ячеек места, а также для представления пространственной карты в мозге с течением времени», — сказал Гринберг.

«Было проведено много исследований Fos и много исследований клеток места , но это одна из первых статей, которая напрямую связывает эти два понятия, — добавил Харви. исследуя эти механизмы».

Например, Гринберг хотел бы углубиться в конкретные молекулы и клетки, которые участвуют в процессе, поскольку Фос помогает мозгу формировать и поддерживать стабильные пространственные карты с течением времени. Он также хочет понять различные роли , которые может играть Fos по мере того, как воспоминания о пространственных картах передаются из гиппокампа в другие области мозга. В том же духе Харви интересуется, является ли Fos частью процесса, посредством которого воспоминания о пространственных картах закрепляются во время сна.

Хотя исследование проводилось на мышах, исследователи отметили, что большая часть системы сохраняется у разных видов, включая человека. Если результаты могут быть подтверждены на людях, они могут помочь ученым понять, как наш мозг формирует пространственные карты и что происходит, когда мы теряем эту способность из-за травмы или болезни.

Помимо науки, исследователи подчеркнули, что исследование представляет собой необычное партнерство между лабораторией, изучающей клеточные и молекулярные механизмы , и лабораторией, которая занимается изучением поведения животных и нейронных цепей.

«Наши две лаборатории так же далеки друг от друга с точки зрения того, чем мы занимаемся, как и другие в отделе, но мы собрались вместе, чтобы изучить, как молекулы взаимодействуют с нейронными цепями , которые контролируют обучение, память и поведение», — сказал Гринберг.

«Это было естественное и захватывающее сотрудничество, чтобы узнать, что Фос играет роль в пространственной памяти и пространственной навигации», — согласился Харви. «Трудно быть экспертом на всех этих разных уровнях нейробиологии, но, работая вместе, две лаборатории смогли преодолеть разрыв».

Исследования на мышах выявили молекулярные механизмы, лежащие в основе пространственного картирования в мозгу



Новости партнеров