Ученые разработали метод для изучения пластичности мозга
Ученые из Scripps Research разработали новый инструмент для мониторинга пластичности мозга, 19 октября сообщает медицинский журнал Мedicalxpress.
Этот инструмент может показать, как мозг физически адаптируется по мере того, как человек учится или как мозг реагирует на просмотр фильма, изучает новый язык или разучивает песню. Подход ученых заключается в том, что необходимо измерить количество белков, вырабатываемых отдельными типами клеток мозга.Это может ответить на основные вопросы о том, как работает мозг, так и пролить свет на многочисленные заболевания мозга, при которых пластичность нарушается.
Предыдущие эксперименты в нескольких лабораториях показали, как активность мозга вызывает изменения в экспрессии генов в нейронах, что является ранним этапом пластичности.
«Мы до сих пор не понимаем всех механизмов, лежащих в основе того, как клетки нашего мозга изменяются в ответ на события, но этот подход дает нам новое окно в процесс», — говорит Холлис Клайн, доктор философии, профессор Хана и заведующий кафедрой Неврология в Scripps Research, автор новой работы.
Когда человек изучает что-то новое, происходят две вещи — во-первых, нейроны немедленно передают электрические сигналы по новым маршрутам в головном мозге. Во-вторых, со временем это приводит к изменениям физической структуры клеток и их связей в головном мозге. Но ученые давно задумались, что происходит между этими двумя шагами. Как эта электрическая активность в нейронах в конечном итоге побуждает мозг к более длительным изменениям? Более того, как и почему эта пластичность снижается с возрастом и при некоторых заболеваниях?
Ранее исследователи изучали, как гены в нейронах включаются и выключаются в ответ на активность мозга, надеясь получить представление о пластичности. С появлением высокопроизводительных технологий секвенирования генов, отслеживать гены таким образом стало относительно легко. Но большинство этих генов кодируют белки — настоящие рабочие лошадки клеток, уровень которых сложнее контролировать. Но Клайн в тесном сотрудничестве с профессором Скриппса Джоном Йейтсом III, доктором философии, и профессором Антоном Максимовым хотел непосредственно взглянуть на то, как изменяются белки в мозге.
«Мы хотели нырнуть в глубокий бассейн и посмотреть, какие белки важны для пластичности мозга », — говорит Клайн.
Команда разработала систему, в которой они могли вводить специально помеченную аминокислоту — один из строительных блоков белков — в один тип нейрона за раз. По мере того как клетки производили новые белки, они включали эту аминокислоту, азидонорлейцин, в свои структуры. Отслеживая, какие белки содержат азидонорлейцин с течением времени, исследователи могли отслеживать новые белки и отличать их от ранее существовавших белков.
Группа Клайна использовала азидонорлейцин для отслеживания того, какие белки были произведены после того, как мыши испытали большой и широко распространенный всплеск мозговой активности, имитируя то, что происходит в меньшем масштабе, когда мы воспринимаем окружающий мир. Команда сосредоточилась на кортикальных глутаматергических нейронах, основном классе клеток мозга, ответственных за обработку сенсорной информации.
После увеличения нервной активности исследователи обнаружили, что в нейронах изменились уровни 300 различных белков. В то время как две трети увеличивались во время всплеска мозговой активности, синтез оставшейся трети снижался. Анализируя роль этих так называемых «белков-кандидатов на пластичность», Клайн и ее коллеги смогли получить общее представление о том, как они могут влиять на пластичность. Например, многие белки связаны со структурой и формой нейронов, а также с тем, как они взаимодействуют с другими клетками. Эти связи натолкнули исследователей на способы, с помощью которых активность мозга может немедленно начать влиять на связи между клетками.
Кроме того, ряд белков был связан с тем, как ДНК упакована внутри клеток; изменение этой упаковки может изменить гены, к которым клетка может получить доступ и использовать в течение длительного периода времени. Это указывает на то, что очень короткий всплеск мозговой активности может привести к более устойчивому ремоделированию мозга.
«Это четкий механизм, с помощью которого изменение активности мозга может привести к волнам экспрессии генов в течение многих дней», — говорит Клайн.
Исследователи надеются использовать этот метод для обнаружения и изучения дополнительных белков-кандидатов пластичности, например тех, которые могут изменяться в различных типах клеток мозга после того, как животные видят новый визуальный стимул. Клайн говорит, что их инструмент также может дать представление о заболеваниях мозга и старении путем сравнения того, как активность мозга влияет на выработку белка в молодом и пожилом возрасте, а также в здоровом и больном мозге.
