Сахар влияет на «пластичность» мозга, помогая в обучении, памяти и восстановлении

Многим знакома ситуация, когда можно узнать человека, которого не видели много лет, но при этом забыть, что ели вчера на завтрак. Наш мозг постоянно перестраивает свои схемы, чтобы запоминать знакомые лица или осваивать новые навыки, но молекулярная основа этого процесса изучена недостаточно. 

Сегодня ученые сообщают, что сульфатные группы сложных молекул сахара, называемых гликозаминогликанами (ГАГ), влияют на «пластичность» мозга мышей. Определение того, как функционируют ГАГ, может помочь нам понять, как память и обучение работают у людей, и предоставить способы восстановления нейронной связи после травм. Исследователи представят свои результаты сегодня на осеннем собрании Американского химического общества (ACS).

Сахара, которые подслащивают фрукты, конфеты или пирожные, на самом деле являются лишь несколькими простыми разновидностями многих существующих видов сахаров. Когда они соединены вместе, они могут образовывать широкий спектр сложных сахаров. ГАГ образуются путем присоединения других химических структур, включая сульфатные группы.

«Если мы изучим химический состав ГАГ в мозге, мы сможем узнать о пластичности мозга и, надеюсь, в будущем использовать эту информацию для восстановления или улучшения нейронных связей, участвующих в памяти», — говорит главный исследователь проекта Линда Хси-Уилсон из Калифорнийского технологического института.

«Эти сахара регулируют работу многих белков, и их структура меняется во время развития и при заболеваниях», — объясняет она. 

В головном мозге наиболее распространенной формой ГАГ является хондроитинсульфат, который обнаруживается во внеклеточном матриксе, окружающем многие клетки головного мозга. Хондроитинсульфат также может образовывать структуры, известные как «перинейронные сети», которые обвивают отдельные нейроны и стабилизируют синаптические связи между ними.

Одним из способов изменения функции ГАГ является мотивы сульфатирования или структуры сульфатных групп, прикрепленных к цепям сахара. Команда Хси-Уилсон интересуется, как эти модели сульфатации изменяются и как они могут регулировать биологические процессы, такие как нейропластичность и социальная память. Это также может однажды позволить исследователям модулировать эти функции в качестве потенциального лечения повреждений центральной нервной системы, нейродегенеративных заболеваний или психических расстройств.

Когда команда удалила ген Chst11, ответственный за формирование двух основных паттернов сульфатирования хондроитинсульфата у мышей, в их перинейрональных сетях образовались дефекты. Однако количество сетей фактически увеличивалось при отсутствии мотивов сульфатации, изменяя типы синаптических связей между нейронами. Кроме того, мыши не смогли распознать мышей, с которыми они были ранее представлены, что позволяет предположить, что эти паттерны влияют на социальную память.

Интересно, что эти сети могут быть более динамичными, чем считалось ранее, — они могут играть роль как в детстве, так и во взрослой жизни. Когда исследователи нацелились на Chst11 конкретно в мозгу взрослых мышей, они обнаружили те же эффекты на перинейрональные сети и социальную память. «Этот результат предполагает, что этими сетями можно манипулировать в подростковом или взрослом возрасте, чтобы потенциально перенастроить или укрепить определенные синаптические связи», — говорит Хси-Уилсон.

В других недавних экспериментах команда хотела понять, как ГАГ и характер их сульфатации могут влиять на регенерацию аксонов или способность нейронов восстанавливаться после повреждения. В настоящее время исследователи работают над идентификацией белковых рецепторов, которые связывают определенные мотивы сульфатирования. На данный момент они обнаружили, что специфические мотивы заставляют эти рецепторы собираться вместе на поверхности клетки и подавлять регенерацию. Этот процесс можно заблокировать для создания инструментов или методов лечения, способствующих регенерации аксонов. По словам Хси-Уилсон, более глубокое понимание этого процесса может когда-нибудь помочь восстановить повреждения, вызванные некоторыми нейродегенеративными заболеваниями или инсультами.