Мозок використовує окремі ділянки для різних типів пластичності

Нове дослідження кидає виклик десятиліттями усталеному припущенню в нейронауці, показуючи, що мозок використовує окремі ділянки передачі сигналів, а не спільну ділянку, для досягнення різних типів пластичності. Результати дослідження, опубліковані в журналі Science Advances, пропонують глибше розуміння того, як мозок балансує стабільність із гнучкістю — процес, який є надзвичайно важливим для навчання, пам'яті та психічного здоров'я.

Нейрони спілкуються між собою через процес, який називається синаптичною передачею. Під час цього процесу один нейрон вивільняє хімічні посередники, які називаються нейромедіаторами, з пресинаптичного терміналу. Ці молекули подорожують через мікроскопічний проміжок, який називається синаптичною щілиною, і зв'язуються з рецепторами на сусідньому постсинаптичному нейроні, викликаючи відповідь.

Традиційно вчені вважали, що спонтанні передачі сигналів, які відбуваються випадково, та викликані передачі, які запускаються сенсорним введенням або досвідом, походять з одного типу канонічної синаптичної ділянки і покладаються на спільний молекулярний механізм. Однак нове дослідження спростовує це припущення.

Використовуючи модель мишей, дослідницька команда під керівництвом Олівера Шлютера, доцента нейронауки в Університеті Піттсбурга, виявила, що мозок натомість використовує окремі ділянки синаптичної передачі для здійснення регуляції цих двох типів активності, кожна з яких має свій власний розвиток у часі та регуляторні правила.

Юе Янг, науковий співробітник кафедри нейронауки та перший автор дослідження, пояснює, що команда зосередилася на первинній зоровій корі, де починається кортикальна обробка зорової інформації. Дослідники очікували, що спонтанні та викликані передачі будуть слідувати подібній траєкторії розвитку, але натомість виявили, що вони розходяться після відкриття очей.

Коли мозок почав отримувати зорову інформацію, викликані передачі продовжували посилюватися. На противагу цьому, спонтанні передачі досягли плато, що свідчить про те, що мозок застосовує різні форми контролю до двох режимів сигналізації.

Щоб зрозуміти причину такої різниці, дослідники застосували хімічну речовину, яка активує інакше мовчазні рецептори на постсинаптичній стороні. Це призвело до збільшення спонтанної активності, тоді як викликані сигнали залишилися незмінними. Такий результат став потужним доказом того, що два типи передачі працюють через функціонально різні синаптичні ділянки.

Цей поділ, ймовірно, дозволяє мозку підтримувати послідовну фонову активність через спонтанну сигналізацію, одночасно вдосконалюючи поведінково релевантні шляхи через викликану активність. Ця подвійна система підтримує як гомеостаз, так і хеббіанську пластичність — залежний від досвіду процес, який посилює нейронні зв'язки під час навчання.

Янг підкреслює, що їхні результати розкривають ключову організаційну стратегію в мозку. Розділяючи ці два режими сигналізації, мозок може залишатися стабільним, водночас зберігаючи достатню гнучкість для адаптації та навчання.

Значення цього відкриття можуть бути широкими. Аномалії в синаптичній сигналізації пов'язують із такими станами, як аутизм, хвороба Альцгеймера та розлади, пов'язані з вживанням психоактивних речовин. Краще розуміння того, як ці системи працюють у здоровому мозку, може допомогти дослідникам визначити, як вони порушуються при захворюваннях.

Дослідження показує, що розуміння того, як мозок у нормальному стані розділяє та регулює різні типи сигналів, наближає науковців до розуміння того, що може йти не так при неврологічних та психіатричних станах. Це відкриття може мати важливі наслідки для розробки нових терапевтичних підходів до лікування різних захворювань мозку.

Дослідження фінансувалося грантами від Національних інститутів охорони здоров'я, Фонду Вайтхолла, Асоціації Альцгеймера та Німецького дослідницького товариства в рамках Стратегії досконалості Німеччини. Ця робота представляє значний крок вперед у розумінні фундаментальних механізмів роботи мозку та може відкрити нові шляхи для лікування неврологічних захворювань у майбутньому.