Forskere identificerer en ny neuroplasticitetsmekanisme forbundet med indlæring og hukommelse

Neuroner er vigtige, men de er ikke de eneste aktører i processen. Det er faktisk "brusken" i form af klynger af ekstracellulære matrixmolekyler kaldet chondroitinsulfater placeret på ydersiden af nerveceller, der spiller en nøglerolle i hjernens evne til at tilegne sig og lagre information.

Et studie offentliggjort i tidsskriftet Cell Reports beskriver en ny mekanisme for hjernens plasticitet, eller hvordan neurale forbindelser ændrer sig som reaktion på eksterne stimuli. Artiklen har titlen "Fokalklynger af den perisynaptiske matrix fremmer aktivitetsafhængig plasticitet og hukommelse hos mus".

Dette arbejde er resultatet af et samarbejde mellem Harvard Medical School, University of Trento og det tyske center for neurodegenerative sygdomme (DZNE) i Magdeburg.

"Sansefærdigheder og evnen til at forstå vores omgivelser afhænger af hjerneaktivitet, som gør det muligt for os at opfatte og bearbejde stimuli fra omverdenen. Gennem vores hjerne er vi i stand til at tilegne os og lagre ny information, samt huske information, vi allerede har lært," siger Yuri Bozzi og Gabriele Cellini.

"Dette fascinerende fænomen er muliggjort af hjernens evne til løbende at ændre strukturen og effektiviteten af neurale forbindelser (synapser) som reaktion på eksterne stimuli. Denne evne kaldes synaptisk plasticitet. At forstå, hvordan synaptiske ændringer sker, og hvordan de bidrager til læring og hukommelse, er en af de største udfordringer inden for neurovidenskab."

Yuri Bozzi er professor ved University of Trento og medforfatter til artiklen. Gabriele Cellini er førsteforfatter af studiet. Cellini begyndte at arbejde på dette projekt i 2017 som postdoc i Sabina Berrettas laboratorium (McLean Hospital og Harvard Medical School, Boston) og færdiggjorde den videnskabelige publikation, mens han arbejdede som postdoc i Bozzis laboratorium ved University of Trento.

I centrum for studiet er chondroitinsulfater, molekyler der er velkendte for deres rolle i leddene, og som også spiller en vigtig funktion i hjernens plasticitet, da de er en integreret del af hjernens ekstracellulære matrix, som oprindeligt opdaget af Dr. Alexander Dityatevs gruppe i 2001.

I 2007 beskrev et japansk studie tilstedeværelsen af chondroitinsulfatklynger, runde i formen og spredt tilsyneladende tilfældigt i hele hjernen. Arbejdet blev dog glemt, indtil Sabina Berrettas translationelle neurovidenskabelige laboratorium bragte strukturerne tilbage i det videnskabelige søgelys ved at omdøbe dem til CS-6-klynger (for chondroitinsulfat-6, som identificerer deres præcise molekylære sammensætning) og viste, at strukturerne er forbundet med gliaceller og er stærkt reduceret i hjernen hos mennesker med psykotiske lidelser.

I 2017 fik Gabriele Cellini, som var nyansat i Berrettas laboratorium, så til opgave at afdække funktionen af disse klynger.

"Vi undersøgte først disse strukturer i detaljer og afbildede dem i meget høj opløsning. Vi fandt ud af, at de i bund og grund var klynger af CS-6-belagte synapser organiseret i en tydeligt genkendelig geometrisk form. Vi identificerede derefter en ny type synaptisk organisation," siger forskerne.

"På dette tidspunkt var vi nødt til at blive lidt 'eksperimentel kreativ'. Ved at bruge en kombination af adfærdsmæssige, molekylære og sofistikerede morfologiske tilgange indså vi, at disse forbindelser indkapslet i CS-6-klynger ændrer sig som reaktion på elektrisk aktivitet i hjernen."

"Endelig, takket være samarbejdet med Alexander Dityatev fra DZNE Magdeburg og indsatsen fra Hadi Mirzapurdelawar fra hans gruppe, reducerede vi ekspressionen af CS-6 i hippocampus (hjerneområdet, der er ansvarligt for rumlig læring) og demonstrerede, at tilstedeværelsen af CS-6 er nødvendig for synaptisk plasticitet og rumlig hukommelse," påpeger Bozzi og Cellini.

"Dette arbejde baner vejen for en ny måde at se på hjernefunktion. Det er muligt, at alle synapser dannet på forskellige neuroner i CS-6-klynger har evnen til at reagere sammen på specifikke eksterne stimuli og deltage i en fælles funktion rettet mod læring og hukommelsesprocesser," bemærker de.

"De ser ud til at repræsentere et nyt substrat for informationsintegration og associationsdannelse på multicellulært niveau," tilføjer Dityatev og Berretta.

Dette arbejde er resultatet af et samarbejde mellem flere laboratorier, herunder Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvard Medical School, Boston), Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinary Center for Brain Science, University of Trento) og Molecular Neuroplasticity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).