Когда мы изучаем что-то новое, клетки нашего мозга (нейроны) общаются друг с другом посредством электрических и химических сигналов. Если одна и та же группа нейронов часто взаимодействует друг с другом, связи между ними становятся сильнее. Этот процесс помогает нашему мозгу учиться и запоминать вещи и известен как долговременная потенциация или LTP.

Другой тип LTP возникает, когда мозг временно лишается кислорода — долговременная потенциация, вызванная аноксией, или aLTP. aLTP блокирует первый процесс, тем самым ухудшая обучение и память. Поэтому некоторые ученые полагают, что aLTP может быть вовлечен в проблемы с памятью, наблюдаемые при таких состояниях, как инсульт.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) и их коллеги подробно изучили процесс aLTP. Они обнаружили, что для поддержания aLTP требуется аминокислота глутамат, которая запускает выработку оксида азота (NO) как в нейронах, так и в кровеносных сосудах головного мозга.

Этот процесс образует положительную петлю обратной связи глутамат-NO-глутамат. Их исследование, опубликованное в журнале iScience, показывает, что постоянное присутствие aLTP потенциально может препятствовать процессам укрепления памяти в мозге и объяснить потерю памяти, наблюдаемую у некоторых пациентов после инсульта.

Реакция мозга на недостаток кислорода

При недостатке кислорода в мозге из нейронов в больших количествах выделяется глутамат – нейромедиатор. Увеличение количества глутамата вызывает выработку NO. NO, вырабатываемый в нейронах и кровеносных сосудах головного мозга, усиливает высвобождение глутамата из нейронов во время aLTP. Этот цикл глутамат-NO-глутамат продолжается даже после того, как мозг получает достаточно кислорода.

«Мы хотели знать, как истощение кислорода влияет на мозг и как происходят эти изменения», — сказал доктор Хан-Ин Ван, исследователь бывшего отдела клеточных и молекулярных синаптических функций OIST и ведущий автор исследования.

«Было известно, что оксид азота участвует в высвобождении глутамата в мозге при нехватке кислорода, но механизм был неясен».

Во время инсульта, когда мозг лишается кислорода, одним из симптомов может быть амнезия — потеря недавних воспоминаний. Исследование влияния дефицита кислорода на мозг важно из-за потенциальных медицинских преимуществ.

«Если мы сможем выяснить, что происходит в этих нейронах, когда в них нет кислорода, это может указать на то, как лечить пациентов, перенесших инсульт », — доктор Патрик Стоуни, ученый из отделения сенсорной и поведенческой нейронауки OIST и бывший член объяснил Отдел клеточных и молекулярных синаптических функций.

Ткани мозга мышей были помещены в солевой раствор , имитирующий естественную среду живого мозга. Обычно этот раствор насыщен кислородом, чтобы удовлетворить высокие потребности тканей мозга в кислороде. Однако замена кислорода азотом позволила исследователям лишить клетки кислорода на определенный период времени.

Затем ткани исследовали под микроскопом и помещали на них электроды для регистрации электрической активности отдельных клеток. Клетки стимулировали таким же образом, как и у живых мышей.

Остановка памяти и учебной деятельности

Ученые обнаружили, что для поддержания aLTP не требуется выработка NO как в нейронах, так и в кровеносных сосудах головного мозга. Сотрудничающие ученые из отдела оптической нейровизуализации OIST показали, что помимо нейронов и кровеносных сосудов для aLTP требуется активность астроцитов, другого типа клеток мозга. Астроциты соединяют и поддерживают связь между нейронами и кровеносными сосудами.

«Длительное поддержание aLTP требует непрерывного синтеза оксида азота. Синтез NO является самоподдерживающимся, поддерживается петлей NO-глутамат, но блокируя молекулярные этапы синтеза NO или те, которые запускают высвобождение глютамата, в конечном итоге разрушают петлю и останавливают aLTP. «, — пояснил профессор Томоюки Такахаси, руководитель бывшего отдела клеточных и молекулярных синаптических функций OIST.

Примечательно, что клеточные процессы, поддерживающие aLTP, являются общими для тех, кто участвует в укреплении памяти и обучении (LTP). Когда присутствует aLTP, он захватывает молекулярную активность, необходимую для LTP, и удаление aLTP может спасти эти механизмы улучшения памяти. Это говорит о том, что длительное действие aLTP может препятствовать формированию памяти, что, возможно, объясняет, почему у некоторых пациентов наблюдается потеря памяти после короткого инсульта.

Профессор Такахаши подчеркнул, что образование петли положительной обратной связи, образующейся между глутаматом и NO, когда мозг временно лишен кислорода, является важным открытием. Это объясняет длительное действие aLTP и может предложить решение проблемы потери памяти, вызванной недостатком кислорода.