Indywidualny charakter synaps
Ludzki mózg zbudowany jest z około 85 miliardów neuronów. Przy pomocy kombinacji sygnałów elektrycznych i chemicznych neurony te komunikują się ze sobą, dzięki czemu umożliwiają nam poruszanie się, myślenie i odczuwanie. Punkt styku, w którym zachodzi ta komunikacja, nazywany jest synapsą. Co prawda każda synapsa przesyła sygnały, ale nie wszystkie robią to w równym stopniu. Dla naukowców długo pozostawało to zagadką. Badanie przeprowadzone w ramach finansowanego przez UE projektu Dyn-Syn-Mem rzuca jednak nowe światło na wewnętrzne funkcjonowanie układu nerwowego. „Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób nanoorganizacja i mobilność receptorów neuroprzekaźników w synapsach determinuje funkcjonalną specjalizację połączeń neuronalnych”, mówi Daniel Choquet(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badacz z Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CNRS) i Uniwersytetu w Bordeaux(odnośnik otworzy się w nowym oknie), partnera koordynującego projekt. Projekt wsparła finansowo Europejska Rada ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Nowe wiadomości na temat na przetwarzania informacji, uczenia się i pamięci
Koncentrując się na receptorach glutaminianowych typu AMPA (AMPAR), głównych mediatorach szybkich transmisji pobudzających, zespół opracował i zastosował najnowocześniejsze obrazowanie w super rozdzielczości, śledzenie pojedynczych cząstek i inżynierię molekularną do wizualizacji, manipulacji i analizy dynamiki receptorów w nienaruszonej tkance mózgowej. „Dzięki połączeniu tych narzędzi z testami fizjologicznymi i behawioralnymi byliśmy w stanie zbadać, w jaki sposób organizacja receptorów w nanoskali przyczynia się do przetwarzania informacji, uczenia się i pamięci”, wyjaśnia Choquet.
Znaczenie dla zrozumienia spadku funkcji poznawczych
Multidyscyplinarne podejście zastosowane w projekcie doprowadziło do kilku przełomowych odkryć. Na przykład, jeśli chodzi o pamięć, naukowcy zidentyfikowali wczesne nanoskalowe defekty w dynamice AMPAR, które poprzedzają utratę neuronów i pogorszenie funkcji poznawczych, co sprawia, że są one obiecującymi biomarkerami lub celami terapeutycznymi. Zespół odkrył także, że AMPAR są zorganizowane w dynamiczne nanoklastry, zwane nanodomenami, i że te nanodomeny regulują siłę synaptyczną i plastyczność poprzez dostrajanie lokalnego stężenia receptorów. „Odkryliśmy, że właściwości tych nanodomen różnią się w poszczególnych synapsach i nadają im sygnaturę molekularną, która określa tożsamość funkcjonalną każdej synapsy”, dodaje Choquet. Oprócz tych odkryć naukowych w ramach projektu powstały innowacyjne narzędzia molekularne i procesy obrazowania ilościowego, które są obecnie wykorzystywane przez naukowców na całym świecie do badania funkcji receptorów w zdrowiu i chorobie.
Nowa koncepcja różnorodności synaptycznej
Zespół Dyn-Syn-Mem na nowo zdefiniował pojęcie różnorodności synaptycznej. „Teraz nie postrzegamy już synaps jako jednorodnych jednostek, lecz wiemy, że rozmieszczenie i mobilność receptorów w nanoskali kształtują sposób, w jaki poszczególne synapsy obliczają i reagują na aktywność”, zauważa Choquet. Jak twierdzi Choquet, odkrycie to ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób mózg koduje i przechowuje informacje. „Dzięki naszej pracy zmiany w nanoorganizacji receptorów są obecnie uznawane za wczesne czynniki przyczyniające się do zaburzeń funkcji poznawczych w chorobach takich jak choroba Alzheimera, choroba Huntingtona i zaburzenia ze spektrum autyzmu”, mówi. Prace w ramach projektu wpisują się także w realizację kluczowych priorytetów UE w dziedzinie neuronauki i zdrowego starzenia się, oferując nowe koncepcyjne i technologiczne podstawy leczenia chorób mózgu.
Od dynamiki receptorów po schorzenia mózgu
Aby kontynuować ścieżkę leczenia chorób mózgu, naukowcy badają, w jaki sposób patologiczne stany mózgu – takie jak przewlekły stres, neurozapalenie, starzenie się lub mutacje genetyczne – zmieniają organizację synaps w nanoskali. Badają także, czy przywrócenie fizjologicznej dynamiki receptorów poprzez ukierunkowane interwencje może przywrócić funkcje poznawcze w modelach chorób. „Pokonanie kolejnej granicy badań pozwoli nam zastosować to, czego dowiedzieliśmy się o dynamice receptorów w chorobach mózgu”, dodaje Choquet.
