Ученые разгадывают механизмы работы мозга, лежащие в основе рабочей памяти

Фото из открытых источников

Рабочая память — это когнитивная функция, необходимая для выполнения повседневных действий и временного сохранения информации. Этот процесс позволяет нам понимать информацию, учиться и управлять своими реакциями контролируемым образом — способности, которые часто нарушаются при некоторых нейродегенеративных заболеваниях. Теперь исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, выявило молекулярный путь в мозге, имеющий решающее значение для правильного функционирования рабочей памяти.

Исследование, проводимое с использованием животных моделей, возглавляет Франсиско Хосе Лопес-Мурсия, профессор факультета медицины и наук о здоровье и Института нейронаук Университета Барселоны (UBneuro), а также член Биомедицинского исследовательского института Бельвитге (IDIBELL). В проекте также участвует группа под руководством профессора Нильса Брозе из Института междисциплинарных наук им. Макса Планка (MPI-NAT, Гёттинген, Германия).

Нейроны не всегда обмениваются информацией с постоянной скоростью. Во многих нейронных цепях происходят короткие всплески активности, которые временно усиливают синапсы, обеспечивая более эффективную передачу информации. Двумя такими временными процессами усиления являются кратковременная фасилитация и посттетаническая потенциация (ПТП), оба из которых особенно выражены в синапсах мшистых волокон, которые, как считается, участвуют в формировании рабочей памяти.

На молекулярном уровне команда сосредоточилась на изучении белка Munc13-1, ключевого фактора, подготавливающего синаптические везикулы к высвобождению нейротрансмиттеров — процессу, известному как везикулярная подготовка. Исследование показало, что Munc13-1 должен регулироваться кальцием по двум взаимодополняющим путям: кальций-фосфолипидной сигнализации (через домен C2B белка Munc13-1) и кальций-кальмодулиновому пути (через область, связывающуюся с этим белком).

В экспериментах на животных с нарушенными сигнальными путями авторы измерили синаптические ответы в синапсах мшистых волокон в гиппокампе при стимуляции, имитирующей физиологическую активность.

«Результаты показывают, что когда Munc13-1 не мог должным образом обнаруживать сигналы кальция, синапсы теряли значительную часть своей способности временно укрепляться при повторной активности», — говорит Франсиско Хосе Лопес-Мурсия, профессор кафедры патологии и экспериментальной терапии в Университете Буффало.

Выявив конкретный молекулярный механизм, связывающий кратковременное синаптическое усиление с эффективностью рабочей памяти, это исследование расширяет наше понимание того, как мозг быстро хранит и обновляет информацию.

«Нарушение сигнального пути кальций-фосфолипидов повысило пороговое значение для индукции посттетанической потенциации и уменьшило ее выраженность, что указывает на особую важность этого пути для запуска сильных кратковременных усилений синаптической передачи», — объясняет исследователь.

Чтобы изучить, влияют ли эти синаптические изменения на поведение, команда исследовала животных на моделях в задаче на пространственную рабочую память (радиальный лабиринт с восемью рукавами). Мыши с мутацией Munc13-1, которая нарушает опосредованное кальцием связывание с фосфолипидами клеточной мембраны, демонстрировали выраженные нарушения, соответствующие ухудшению рабочей памяти, такие как многократное возвращение к местам получения вознаграждения после его получения.

«Эти результаты предоставляют экспериментальные доказательства того, что рабочая память может зависеть не только от устойчивой нейронной активации, но и от кратковременных, зависящих от активности изменений синаптической передачи, которые временно сохраняют информацию в нейронных цепях», — говорит Лопес-Мурсия.

Исследование также подчеркивает роль белка Munc13-1 как ключевого компонента, позволяющего синапсам поддерживать и адаптироваться для передачи и усиления информации во время пиков активности, что является важной особенностью нейронной активности в гиппокампе.

Предыдущие исследования выявили мутации в гене UNC13A человека, которые изменяют последовательность множества белковых доменов, включая те, которые были исследованы в данном исследовании, у людей с широким спектром неврологических симптомов, в частности, с умственной отсталостью. Результаты нового исследования подчеркивают решающую роль белка Munc13-1 в здоровом функционировании мозга и его клиническую значимость при нейроразвивающих расстройствах.