Tworzenie pamięci na poziomie neuronalnym
Uważa się, że podczas nauki występuje zjawisko plastyczności synaptycznej jako skutku powtarzanej i utrzymującej się stymulacji neuronów postsynaptycznych przez komórki presynaptyczne. Umożliwia to tworzenie pamięci i uczenie się, dzięki powstawaniu nowych połączeń synaptycznych (tak zwanych kolców dendrytycznych na neuronie postsynaptycznym) lub wzmacnianiu istniejących połączeń. Naukowcy nie potrafią jednak wskazać wyraźnego związku pomiędzy śladem pamięciowym zadania behawioralnego lub sensorycznego a utworzeniem się nowego kolca. Zespół finansowanego przez UE projektu "Visualizing the structural synaptic memory trace: Presynaptic partners of newly formed spines" (HEBBIANNEWSPINES) pracował nad identyfikacją funkcjonalną partnerów presynaptycznych nowopowstałych synaps z kolcami, by móc wskazać neuronowe podłoże tworzenia się pamięci. Podczas badań in vitro oraz in vivo naukowcy zastosowali systemy obrazowania dwufotonowego oraz metody stymulacji optogenetycznej. Aby zbadać budowę i funkcjonowanie poszczególnych neuronów podczas aktywacji pojedynczej synapsy, opracowano genetycznie zakodowane wskaźniki jonów wapniowych (Ca2+) z dwukolorowymi markerami. Zastosowano wskaźniki Ca2+, gdyż zarówno w kolcach dendrytycznych, jak i kolbkach presynaptycznych podczas aktywności synaptycznej ma miejsce napływ jonów Ca2+. Na potrzeby badań in vitro badacze opracowali rozbudowany, całkowicie optyczny model długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LPT), używając rodopsyny kanałowej-2 (ChR2) do wybiórczej aktywacji kolbek presynaptycznych. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne to zjawisko długotrwałego wzrostu przesyłu sygnału między dwoma neuronami na skutek powtarzającej się stymulacji. Wynik badania potwierdził powstanie nowych, trwałych kolców po pięciogodzinnym okresie stosowania całkowicie optycznego, długotrwałego wzmocnienia synaptycznego. Członkowie zespołu już wcześniej zademonstrowali tworzenie się i stabilizację nowych kolców podczas badań z pozbawieniem zdolności widzenia na jedno oko (monocular deprivation — MD). MD uzyskuje się przez zakrycie jednego oka podczas prezentowania bodźca wizualnego. Zespół pomyślnie opracował kombinatoryczną metodę ograniczonej transfekcji wirusowej wybranych podzestawów neuronów. Możliwe jest teraz obrazowanie własności poszczególnych kolców i dużych populacji komórek. Dzięki zastosowaniu modelu MD naukowcy mogą dokonywać rozróżnienia pomiędzy reprezentacją sygnału dla otwartego i zamkniętego oka i powiązać strukturę z funkcjonowaniem na poziomie synaptycznym. Narzędzia opracowane podczas realizacji tego projektu umożliwią ustalenie, czy tworzenie się pamięci długotrwałej przebiega poprzez powstawanie kolców. Poznanie procesów związanych z uczeniem się i pamięcią może pomóc w rehabilitacji osób z zaburzeniami procesu uczenia się oraz z osłabioną pamięcią.
Słowa kluczowe
Neuron, pamięć, uczenie się, plastyczność synaptyczna, presynaptyczny, postsynaptyczny, kolec dendrytyczny, tworzenie się kolców, neuronowe podłoże, obrazowanie dwufotonowe, optogenetyczny, Ca2+, kolbki presynaptyczne, długotrwałe wzmocnienie synaptyczne
