Новое исследование показывает изменения в мозге, когда мы учимся
Ученые из Scripps Research разработали новый инструмент для мониторинга пластичности мозга — того, как наш мозг изменяется и физически адаптируется по мере того, как мы учимся и испытываем эмоции, от просмотра фильма до изучения новой песни или языка. Их подход, который измеряет количество белков, вырабатываемых отдельными типами клеток мозга, может как 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 уже показали, как активность мозга вызывает изменения в экспрессии генов в нейронах, что является ранним этапом пластичности. Эксперименты команды, описанные в Journal of Neuroscience от 7 сентября, сосредоточены на следующем важном этапе пластичности — переводе генетического кода в белки.
"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 неврологии в Скриппсе и старший автор новой работы.
Когда вы изучаете что-то новое, происходят две вещи: во-первых, нейроны немедленно передают электрические сигналы по новым маршрутам в вашем мозгу. Затем со временем это приводит к изменениям физической структуры клеток и их связей в головном мозге. Но ученые давно задавались вопросом, 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 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 адъюнкт-профессором Антоном Максимовым, доктором философии, хотел непосредственно взглянуть на то, как изменяются белки в мозге.
"Мы хотели погрузиться в суть процесса 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 всплеск мозговой активности, имитируя в меньшем масштабе то, что происходит, когда мы воспринимаем окружающий мир. Команда сосредоточилась на кортикальных глутаматергических нейронах, основном классе клеток мозга, ответственных за обработку сенсорной информации.
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.
Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения, Фондом семьи Хан и Благотворительным фондом Центра нейробиологии Гарольда Л. Дорриса.