Hogyan készítheti elő egy neuroncsoport az agy fejlődését
Az agy fejlődése egész életünk során formálhat minket, ezért az idegtudósok nagyon kíváncsiak arra, hogy ez hogyan történik. Az MIT Picower Institute for Learning and Memory ktdósai által végzett új kutatás, amely az egerek látókéregének fejlődésére összpontosított, feltárta, hogy egy fontos neuroncsoport egy meglepő, de az idegpályák optimalizálásához ideális feltételeket teremtő szabályrendszert követ.
Az agy korai fejlődése során többféle idegsejt jelenik meg a látókéregben. Sok közülük gerjesztő, azaz az agyi áramkörök aktivitását ösztönzi, mások pedig gátló, azaz ezt az aktivitást csökkenti. Ahogyan egy autónak nemcsak motorra és gázpedálra van szüksége, hanem kormányra és fékekre is, úgy az agy megfelelő működéséhez is egészséges egyensúlyra van szükség a gerjesztés és a gátlás között.
A látókérgi fejlődés kritikus időszakában, röviddel a szemek első kinyitása után, az izgató és gátló idegsejtek több millió kapcsolatot, vagy szinapszist hoznak létre és rendeznek, hogy a kialakuló áramköröket a beérkező vizuális élmények áradatához igazítsák. Más szavakkal, az agy néhány nap alatt optimalizálja a világhoz való vizuális kapcsolódását.
A The Journal of Neuroscience folyóiratban megjelent új tanulmányban a MIT kutatója, Josiah Boivin és Elly Nedivi professzor vezette csapat vizuálisan nyomon követte a szomatosztatin (SST) kifejző-gátló (expressing inhibitory) neuronokat, amelyek szinapszisokat hoztak létre az idegsejtek dendritikus ágai mentén, és korábban soha nem látott felbontással ábrázolta a kritikus időszak előtti, alatti és utáni folyamatokat.
Az SST sejtek által követett szabályok közül több is meglepő volt – például más sejttípusokkal ellentétben aktivitásuk nem függött a vizuális ingerektől –, de most, hogy a tudósok ismerik ezeknek az idegsejteknek az egyedi pályáját, új elképzelésük van arról, hogy ez hogyan teheti lehetővé az érzékszervi aktivitás fejlődésre gyakorolt hatását: az SST sejtek elősegíthetik a kulcsfontosságú időszak eljövetelét azáltal, hogy meghatározzák az alapszintű gátlást, amely szükséges ahhoz, hogy csak bizonyos típusú érzékszervi ingerek váltsák ki az áramkörök kialakítását.
„Miért van szükség egy olyan áramkör-részre, amely nem igazán érzékeny a tapasztalatokra? Lehet, hogy előkészíti a terepet a tapasztalatoktól függő komponensek működéséhez” – mondta Nedivi, a Picower Intézet és az MIT Biológiai, valamint Agy- és Kognitív Tudományok Tanszékének William R. és Linda R. Young professzora. Boivin hozzátette: „Még nem tudjuk, hogy az SST neuronok ok-okozati szerepet játszanak-e a kritikus időszak megnyitásában, de biztosan a megfelelő helyen vannak a megfelelő időben, hogy a fejlődés kritikus szakaszában formálják a kéreg áramköreit.”
Egyedülálló pálya
Az SST-excitatórikus szinapszisok fejlődésének vizualizálására Nedivi és Boivin csapata egy genetikai technikát alkalmazott, amely a szinaptikus fehérjék expresszióját fluoreszkáló molekulákkal párosítja, hogy meghatározza az SST-sejtek által az excitatórikus neuronok elérésére használt kapcsolók (boutons) megjelenését. Az excitatórikus (serkentő) jelenség az idegrendszerben azt jelenti, hogy egy inger hatására a neuron (idegsejt) membránpotenciálja olyan irányba változik (depolarizálódik), ami elősegíti az idegimpulzus továbbítását.
Ezután egy eMAP nevű technikát alkalmaztak, amelyet Kwanghun Chung laboratóriuma fejlesztett ki a Picower Intézetben. Ez a technika kiterjeszti és megtisztítja az agyszövetet a nagyítás növelése érdekében, lehetővé téve azoknak a szinapszisoknak a szuperfelbontású vizualizálását, amelyeket ezek a kapcsolóok végül az excitatórikus sejtek dendritjei mentén alakítottak ki.
Ezek az új technikák feltárták, hogy az SST kapcsolók megjelenése, majd a szinapszisok kialakulása drámai módon megnőtt, amikor a szemek kinyíltak, majd a kritikus időszak elkezdődött. De míg az ingerelt idegsejtek ebben az időintervallumban még éretlenek, először a kéreg legmélyebb rétegeiben, majd később a felszínesebb rétegekben, az SST kapcsolóok egyszerre borították be az összes réteget, ami azt jelenti, hogy – talán ellentmondásosan – megpróbálták kialakítani gátló hatásukat, függetlenül a célzott partnereik érettségi stádiumától.
Számos tanulmány kimutatta, hogy a szem kinyitása és a vizuális élmény kezdete elindítja az excitatórikus sejtek és egy másik fontos gátló idegsejt-típus (a parvalbumint expresszáló sejtek) fejlődését és kidolgozódását. Például az egerek különböző időtartamú sötétben tartása egyértelműen megváltoztathatja ezeknek a sejteknek a működését. Az SST-idegsejtek esetében ez nem így van.
Az új tanulmány kimutatta, hogy a sötétben töltött idő hosszának változása nem volt hatással az SST kapcsoló és a szinapszis megjelenésének pályájára; ez változatlan maradt, ami arra utal, hogy ezt inkább a genetikai program vagy az életkorral kapcsolatos molekuláris jel, mint tapasztalat határozza meg.
Ráadásul a fejlődés során a szinapszisok kialakulásának kezdeti heves szakasza után sok szinapszis átalakul, vagy eltűnik, így csak azok maradnak meg, amelyek a megfelelő érzékszervi reakciókhoz szükségesek. Az SST kapcsolók és szinapszisok ismét kivételt képeztek ezek alól a változások alól. Bár az új SST szinapszisok kialakulásának üteme a kritikus időszak csúcspontján lelassult, a szinapszisok nettó száma soha nem csökkent, sőt felnőttkorban is tovább nőtt.
„Bár sokan úgy gondolják, hogy az gátlás és az izgalom közötti egyetlen különbség az erősségük (valence), ez azt bizonyítja, hogy a gátlás teljesen más szabályok szerint működik” – mondta Nedivi.
Összességében, míg más sejttípusok a beérkező tapasztalatokhoz igazították szinaptikus populációikat, az SST neuronok korai, de állandó gátló hatást gyakoroltak a kéreg minden rétegére. Miután a serkentő szinapszisok felnőttkorra visszaszorulnak, az SST gátlás folyamatos emelkedése hozzájárulhat a gátlás és a serkentés arányának vátozásához, ami még mindig lehetővé teszi a felnőtt agy tanulását, de nem olyan drámai módon és rugalmasan, mint a korai gyermekkorban.
Platform a jövőbeli kutatásokhoz
Nedivi szerint a tanulmány technikái nemcsak a tipikus agyfejlődésre derítenek fényt, hanem lehetővé teszik az autizmus vagy az epilepszia és más neurodevelopmentális (idegrendszer eltérő fejlődéséből fakadó) rendellenességek egérmodellekben történő egymás melletti összehasonlítását is, amelyeknél az izgatottság és a gátlás egyensúlyának eltérései játszanak szerepet. „A technikákat alkalmazó jövőbeli kutatások azt is vizsgálhatják, hogy a különböző sejttípusok hogyan kapcsolódnak egymáshoz a látókéregtől eltérő agyi régiókban” – tette hozzá.
Boivin hamarosan megnyitja saját laboratóriumát az Amherst College oktatójaként. „Örömmel folytatom a gátló szinapszisok kialakulásának vizsgálatát genetikailag meghatározott sejttípusokon a jövőbeli laboratóriumomban” – mondta Boivin. „A limbikus agyi régiók fejlődésére szeretnék összpontosítani, amelyek a serdülők mentális egészségével kapcsolatos viselkedést szabályozzák.”