Ученые обнаружили роль митохондрий в формировании цепей памяти

Нейробиологи из Политехнического университета Вирджинии обнаружили митохондриальный процесс, который поддерживает клетки мозга, необходимые для обучения, памяти и социального распознавания.

Под руководством Шеннон Фаррис из Института биомедицинских исследований Фралина при VTC, исследование на мышах изучает регион гиппокампа CA2 — специализированную область в центре памяти мозга, необходимую для памяти социального распознавания.

Опубликованное в Scientific Reports исследование раскрывает критическую роль митохондриального унипортера кальция (MCU), белка, регулирующего поток кальция в митохондрии, в обеспечении нейронам возможности укреплять связи. Этот процесс, известный как синаптическая пластичность, имеет основополагающее значение для когнитивной функции и адаптивного обучения.

«Наши результаты подчеркивают особый митохондриальный механизм, который помогает объяснить, как функционируют нейроны CA2, что может способствовать его роли в социальном познании и его уязвимости при определенных неврологических расстройствах», — говорит Фаррис.

Область гиппокампа CA2 — это небольшой, но важный центр социального распознавания — способности запоминать и различать людей. В отличие от соседних областей гиппокампа, нейроны CA2 сопротивляются определенным формам синаптической пластичности, что поднимает интригующие вопросы об их специализированной функции.

Фаррис и ее команда обнаружили, что митохондрии в нейронах CA2 не являются однородными. Вместо этого их структура и функция варьируются в зависимости от их расположения внутри нейрона. Митохондрии в самых дальних концах дендритов нейронов — в самых внешних синаптических входных соединениях — являются высокоспециализированными и в значительной степени зависят от MCU для управления своей активностью.

Чтобы изучить это, исследователи удалили ген MCU в нейронах CA2 генетически модифицированных мышей. Это вызвало нарушение пластичности в самых внешних синапсах, в то время как те, что были ближе к телу клетки, остались нетронутыми.

«Это говорит о том, что митохондриальное разнообразие — это не просто биологическая причуда», — объясняет Фаррис. «Это фундаментальная особенность, которая позволяет разным частям одного и того же нейрона функционировать по-разному».

Митохондриальная дисфункция все чаще признается одним из основных факторов неврологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, аутизм, шизофрения и депрессия.

Синапсам нужно много энергии, чтобы оставаться связанными и обрабатывать информацию. Когда митохондрии не работают должным образом, это может нарушить функциональную способность этих каналов межклеточной коммуникации, что приводит к проблемам с мышлением и памятью.

Известно, что самые дистальные внешние синапсы являются одними из первых синаптических связей, затронутых болезнью Альцгеймера. Результаты показывают, что функция MCU в нейронах CA2 может способствовать этой изначальной слабости, предлагая потенциальное понимание того, почему эта схема особенно подвержена нейродегенерации.

«Понимание того, почему митохондрии в нейронах CA2 отличаются и как они выходят из строя, может помочь нам разработать методы лечения для защиты или восстановления функций в определенных областях мозга», — говорит Фаррис.

Помимо болезни Альцгеймера, исследование поднимает более широкие вопросы о том, как митохондриальное разнообразие может влиять на другие неврологические расстройства. Способность нейронов тонко настраивать митохондриальные свойства может быть критическим фактором в понимании аутизма, где дисфункция CA2 может быть связана с известными социальными дефицитами, которые встречаются в этом спектре.

По словам исследователей, это исследование расширяет понимание биологии митохондрий и преодолевает техническое препятствие в оценке митохондрий в плотных и разнообразных тканях мозга.

Используя электронную микроскопию и искусственный интеллект для беспристрастной идентификации только дендритных митохондрий в плотно упакованном синаптическом слое, ученые картировали митохондриальную структуру в дендритах нейронов CA2 с высоким пространственным разрешением и чрезвычайной точностью на миллиметровых участках ткани. Анализ показал, что митохондрии с дефицитом MCU были меньше и более фрагментированы, структурный сдвиг, который может лежать в основе их нарушенной способности поддерживать синаптическую функцию.

В более широком смысле, исследование бросает вызов давнему предположению, что митохондрии работают одинаково во всех частях нейрона. Вместо этого нейроны могут активно изменять свойства митохондрий, чтобы оптимизировать функцию в определенных синапсах, концепция, которая может изменить наше понимание регуляции нервной энергии и пластичности.

«Эти результаты бросают вызов давнему предположению, что митохондрии функционируют единообразно в дендритах», — сказала соавтор исследования Кэти Паннони. «Вместо этого наша работа предполагает, что митохондрии высокоспециализированы для поддержки различных потребностей различных нейронных цепей».

Используя искусственный интеллект для анализа крупномасштабных наборов данных электронной микроскопии, исследовательская группа количественно оценила структуру митохондрий и их распределение по цепям в масштабе, недостижимом обычными ручными методами. Этот новый подход позволит будущим исследованиям изучать функцию митохондрий с большей точностью и глубиной анализа.

Это открытие открывает новые пути для рассмотрения потенциальных методов лечения, особенно неврологических расстройств, при которых дефицит энергии ослабляет связи мозга. Раскрывая, как митохондрии поддерживают нейронную пластичность, исследование Фарриса закладывает основу для стратегий сохранения функций мозга и замедления нейродегенерации.

Далее ее команда будет исследовать, как митохондрии в нейронах CA2 развивают свои специализированные свойства и существуют ли подобные адаптации в других областях мозга. Они также стремятся изучить терапевтические стратегии, которые могли бы укрепить здоровье митохондрий и защитить нейроны от болезней.

«Чем больше мы понимаем разнообразие митохондрий, тем ближе мы подходим к пониманию того, как мозг учится, запоминает и адаптируется, и как мы можем поддерживать его здоровье», — резюмирует Фаррис.