Neuronální hlavní spínač přetváří mozkovou aktivitu během učení

Procesy paměti a učení jsou založeny na změnách neuronových spojení mozku a v důsledku toho na přenosu signálu mezi neurony. Vědci z DZNE poprvé pozorovali související jev v živých mozcích – konkrétně u myší. Tento mechanismus se týká buněčného generátoru pulsů pro neuronální signály („axonový počáteční segment“) a byl dříve dokumentován pouze v buněčných kulturách a ve vzorcích mozku. Tým vedený neurovědcem Janem Gründemannem o tom informuje v časopise „Nature Neuroscience“ spolu s odborníky ze Švýcarska, Itálie a Rakouska. Jejich studie vrhá světlo na schopnost mozku přizpůsobit se. Dále mají vědci v úmyslu prozkoumat význam těchto zjištění u Alzheimerovy choroby.

V mozku se neurony rozvětvují a vzájemně se spojují a vytvářejí síť, jejímž prostřednictvím se aktivně vyměňují elektrické signály. Tato síťová struktura je základní složkou „hardwaru“ mozku, a je proto zásadní pro jeho funkci, zejména s ohledem na procesy učení a tvorbu paměti. Tato složitá architektura a přenos signálu přes tuto síť však nejsou pevné; mohou se měnit v důsledku zážitků a událostí. Tato flexibilita, známá také jako „neuroplasticita“, je základem adaptační schopnosti mozku.

Neuronální kardiostimulátor

Neuronální plasticita do značné míry závisí na schopnosti upravit sílu spojení a přenos signálu mezi neurony. Pokud tyto buňky považujeme za přenosové stanice, jejich „síla vazby“ určuje, jak efektivně jsou signály přenášeny z jedné buňky do druhé a jak dobře se šíří v neuronové síti. Jan Gründemann, vedoucí výzkumné skupiny na DZNE a profesor na univerzitě v Bonnu, a spolupracovníci nyní mohli pozorovat, jak se mění sekce, která generuje elektrický signál. Většina neuronů má takový „axonový počáteční segment“, který se vyznačuje zvláště vysokou hustotou specifických iontových kanálů. „Počáteční segment axonu určuje, zda je generován nervový impuls, nebo ne,“ říká neurolog. „Díky specializovaným mikroskopickým metodám byli dva členové našeho týmu, Chloé Benoit a Dan Ganea, schopni monitorovat velikost těchto segmentů v živém mozku během učení – to je poprvé. Až dosud byly počáteční segmenty axonů většinou měřeny v buněčných kulturách nebo vzorcích tkání. Nyní jsme je v mozku sledovali několik dní v kontextu učení.“

Někdy delší, někdy kratší

Zjištění jsou založena na studiích na myších: V behaviorálním experimentu se zvířata naučila reagovat na různé situace – a tak se poučila ze svých zkušeností a vzpomínek a podle toho upravila své chování. Vědci pozorovali jednotlivé neurony u živých zvířat před a po tréninku. Byli schopni opakovaně lokalizovat specifické nervové buňky a jejich iniciální segmenty axonů a zaznamenávat tak změny v čase. Konkrétně zkoumali oblast mozkové kůry, o které je známo, že se účastní procesů učení. „Zjistili jsme, že počáteční segmenty axonů pozorovaných neuronů změnily délku; prodloužily se nebo se zmenšily,“ vysvětluje Gründemann. „Délka počátečního segmentu axonu určuje excitabilitu neuronu. Buňky s dlouhým počátečním segmentem generují silnější pulzy než buňky s krátkým segmentem. Tento mechanismus tedy může regulovat mozkovou aktivitu. Zatím nevíme, proč se některé segmenty prodloužily a jiné zkrátily. To je pravděpodobně klíčová ovládací páka pro optimální nastavení aktivity neuronů.“

Hlavní vypínač

Počáteční segment axonu je součástí „axonu“ – vláknitého rozšíření neuronů, které přenáší elektrické impulsy do jiných buněk. Na konci se axon rozvětvuje několikrát, což umožňuje jednomu neuronu kontaktovat mnoho dalších buněk. Je známo, že tyto kontaktní body – nazývané „synapse“ – se také mění během formování paměti, a tím ovlivňují přenos neuronových signálů. „Signály se přenášejí z jednoho neuronu na druhý přes synapse, ale počáteční segment axonů rozhoduje o tom, zda se neuron spustí a jak silný bude jeho výstup. Takže v jistém smyslu jde o hlavní přepínač. Jak synapse, tak počáteční segmenty axonů ovlivňují přenos signálu mezi neurony. Oba jsou místy neuroplasticity. A naše studie ukazuje, že oba mohou být relevantní pro tvorbu paměti,“ říká Gründemann. „Přestože jsme studovali pouze specifickou oblast mozku, předpokládáme, že podobně jako synaptická plasticita jsou dynamické změny počátečního segmentu axonu obecným principem spojeným s učením. Plánujeme prozkoumat tento fenomén v jiných oblastech mozku, zejména s ohledem na neurodegenerativní onemocnění.“

Studie o Alzheimerově chorobě

„U Alzheimerovy choroby je narušen přenos signálu mezi neurony. Proto nás například zajímá, jak proteinové depozity typické pro Alzheimerovu chorobu ovlivňují funkci počátečních segmentů. Taková témata lze studovat na myších, které vykazují znaky onemocnění podobné těm u Alzheimerovy choroby. To by mohlo pomoci zlepšit naše chápání procesu onemocnění a potenciálně identifikovat vstupní body pro budoucí terapie,“ říká Gründemann.