Ученые из Института Гладстона расшифровали, как белок под названием Arc регулирует активность нейронов, предоставляя столь необходимые ключи к разгадке способности мозга формировать долговременные воспоминания. Эти результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Neuroscience, также предлагают новое понимание того, что происходит на молекулярном уровне, когда этот процесс нарушается.
Под руководством старшего исследователя Гладстона Стива Финкбейнера, доктора медицины, доктора философии, это исследование глубоко изучило внутреннюю работу синапсов. Синапсы – это узкоспециализированные соединения, которые обрабатывают и передают информацию между нейронами. Большинство синапсов, которые когда-либо будут в нашем мозгу, формируются на раннем этапе развития мозга, но на протяжении всей нашей жизни эти синапсы могут создаваться, разрушаться и укрепляться. Более активные синапсы становятся сильнее – процесс, необходимый для формирования новых воспоминаний. Однако этот процесс также опасен, так как может чрезмерно стимулировать нейроны и приводить к эпилептическим припадкам. Поэтому его нужно держать под контролем.
Нейробиологи недавно обнаружили один важный механизм, который мозг использует для поддержания этого важного баланса: процесс, называемый "гомеостатическое масштабирование." Гомеостатическое масштабирование позволяет отдельным нейронам укреплять новые синаптические связи, которые они создали для формирования воспоминаний, в то же время защищая нейроны от чрезмерного возбуждения. Как именно нейроны это делают, ускользнуло от исследователей, но они подозревали, что белок Arc играет ключевую роль.
"Ученые знали, что Arc участвует в долговременной памяти, потому что мыши, лишенные белка Arc, могли изучать новые задачи, но не могли вспомнить их на следующий день," сказал доктор. Финкбайнер, который также является профессором неврологии и физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF), с которым связан Гладстон. "Поскольку первоначальные наблюдения показали, что Arc накапливается в синапсах во время обучения, исследователи думали, что присутствие Arc в этих синапсах способствует формированию долговременных воспоминаний."
Но доктор. Финкбайнер и его команда думали, что в игре есть что-то еще. В лабораторных экспериментах, сначала на моделях животных, а затем более подробно в чашке Петри, исследователи отслеживали движения Арк. И то, что они обнаружили, было удивительно.
"Когда отдельные нейроны стимулируются во время обучения, Arc начинает накапливаться в синапсах, но мы обнаружили, что вскоре после этого большая часть Arc перемещается в ядро," сказала Эрика Корб, доктор философии, ведущий автор статьи, окончившая дипломную работу в Gladstone и UCSF. "При более внимательном рассмотрении были обнаружены три области внутри самого белка Arc, которые направляют его движения: одна экспортирует Arc из ядра, вторая транспортирует ее в ядро, а третья удерживает ее там. Наличие этой сложной и строго регулируемой системы убедительно свидетельствует о биологической важности этого процесса."
Фактически, эксперименты команды показали, что Arc выступает в качестве главного регулятора всего процесса гомеостатического масштабирования. Во время формирования памяти определенные гены должны включаться и выключаться в определенное время, чтобы генерировать белки, которые помогают нейронам закладывать новые воспоминания. Изнутри ядра авторы обнаружили, что именно Arc управлял этим процессом, необходимым для гомеостатического масштабирования. Это укрепило синаптические связи, не чрезмерно их стимулировало, что позволило превратить обучение в долговременные воспоминания.
"Это открытие важно не только потому, что оно решает давнюю загадку роли Arc в формировании долговременной памяти, но также дает новое понимание самого процесса гомеостатического масштабирования – нарушений, в которые уже повлиял целый ряд неврологические заболевания," сказал доктор. Финкбайнер. "Например, ученые недавно обнаружили, что Arc истощается в гиппокампе, центре памяти мозга, у пациентов с болезнью Альцгеймера. Возможно, что сбои в процессе гомеостатического масштабирования могут способствовать дефициту обучения и памяти, наблюдаемому при болезни Альцгеймера."
Нарушения в производстве и транспортировке дуги также могут быть важным фактором при аутизме. Например, генетическое заболевание – синдром ломкой Х-хромосомы – частая причина как умственной отсталости, так и аутизма, напрямую влияет на выработку Arc в нейронах.
"В будущем," добавил Dr. Корб, "мы надеемся, что дальнейшие исследования роли Arc в здоровье и болезнях человека помогут глубже понять эти и другие расстройства, а также заложат основу для новых терапевтических стратегий борьбы с ними."