123RF
Zaawansowane obrazowanie szansą na poznanie schematu połączeń neuronów pamięci
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 15.12.2021
Źródło: Komisja Europejska/CORDIS
| Tagi: | Stéphane Bancelin, neurony, mikroskop, obrazowanie |
Zaawansowane techniki obrazowania umożliwiają wizualizację zmieniającej się struktury przedziałów neuronalnych – kolców dendrytycznych w mózgu myszy, z niespotykaną dotąd rozdzielczością przestrzenną. Badania te mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia złożonych obwodów pamięciowych ludzkiego mózgu.
Mózg jest najbardziej skomplikowaną częścią ludzkiego ciała: składa się z około 100 miliardów neuronów oraz kwadryliona połączeń synaptycznych tworzących gigantyczną sieć, dzięki której zyskujemy świadomość.
Obserwowanie struktur przypominających drzewa
Zagadką pozostaje, w jaki sposób z tego roju neuronów wyłania się nasza pamięć. Hipokamp jest głęboko położonym regionem w mózgu ssaków, który od dawna uznaje się za archetypiczny ośrodek tworzenia się pamięci. Celem finansowanego przez UE projektu IVSTED było zbadanie połączeń między neuronami hipokampa in vivo przy zachowaniu subkomórkowej rozdzielczości przestrzennej.
Neurony hipokampa przetwarzają informacje, angażując niezliczone wejściowe sygnały synaptyczne poprzez kolce dendrytyczne. Badacze koncentrowali się na dynamicznych zmianach zachodzących w tych maleńkich przedziałach neuronalnych. Zmiany struktury kolców, czyli tak zwana plastyczność strukturalna, umożliwiają synapsom modulowanie siły połączeń.
– Kolce dendrytyczne są bardzo dynamiczne, a ich plastyczność (lub siła synaptyczna) uważa się obecnie za silnie skorelowaną strukturalnie ze śladem pamięciowym. Jednak ze względu na ich nanometrowe rozmiary i dużą gęstość niezwykle trudno jest eksperymentalnie badać i określać ich drobną strukturę w realistycznym środowisku – wyjaśnia Stéphane Bancelin, koordynator projektu IVSTED.
Niespotykana dotąd rozdzielczość przestrzenna
W ramach projektu powstał mikroskop, który oferuje rozdzielczość przestrzenną wystarczającą do obserwacji drobnych szczegółów kolców dendrytycznych. Urządzenie to zastosowano do monitorowania in vivo synaps w mózgu znieczulonej myszy. Do tej pory konwencjonalne mikroskopy optyczne nie pozwalały prawidłowo uchwycić szczegółów morfologicznych tych struktur postsynaptycznych, natomiast mikroskopy elektronowe dostarczały jedynie migawek unieruchomionych fragmentów mózgu. Ograniczało to wgląd neuronaukowców w dynamikę kolców i możliwości zrozumienia mechanizmów synaptycznych leżących u podstaw fizjologii i zachowania mózgu.
Naukowcy z projektu IVSTED wykorzystali potencjał mikroskopii typu STED (wymuszonego wygaszania emisji), techniki mikroskopii o superrozdzielczości, która obchodzi ograniczenia rozdzielczości dyfrakcyjnej w celu zwiększenia rozdzielczości. Do głębszej obserwacji tkanek wykorzystano również przestrzenną modulację światła, technologię z zakresu optyki adaptacyjnej, która umożliwia przestrzenne kształtowanie wiązki światła w celu wyeliminowania zniekształceń (aberracji) wywoływanych przez tkankę na dużych głębokościach. – Jako pierwszym udało nam się zwizualizować struktury postsynaptyczne w hipokampie żywego zwierzęcia, z rozdzielczością przestrzenną poniżej 50 nm – mówi Bancelin.
Stabilna pamięć przy niestabilnych synapsach
Naukowcy badali nie tylko nanoskalową morfologię kolców dendrytycznych, ale także formowanie się i zanikanie tych przejściowych struktur postsynaptycznych. – Zauważyliśmy niezwykle wysoki współczynnik formowania się i zanikania synaps: około 40 proc. obserwowanych kolców dendrytycznych zostało wymienionych na nowe w ciągu 4 dni. Nasze obserwacje są zgodne z niedawnym badaniem, które ujawniło, że zmienna natura hipokampa ssaków odzwierciedla dynamikę formowania się i zanikania jego synaps – tłumaczy naukowiec.
Powstaje pytanie, czy w hipokampie istnieje stabilna populacja synaps? Naukowcy chcieliby kontynuować prace nad tą przebudową synaptyczną, aby ustalić, w jaki sposób mózg reaguje na zmieniające się warunki zachowania i jak tworzy nowe wspomnienia.
Projekt IVSTED doprowadził już do powstania nowych technik badania strukturalnych mechanizmów powstawania pamięci. – Zrozumienie zasad działania i anatomii skomplikowanych sieci w mózgu może dostarczyć wskazówek na temat mechanizmów komórkowych leżących u podstaw zaburzeń neurologicznych. Na przykład wiele badań sugeruje, że utrata pamięci i inne deficyty poznawcze w chorobie Alzheimera wynikają przede wszystkim z upośledzenia synaps – dodaje na koniec Bancelin.
Obserwowanie struktur przypominających drzewa
Zagadką pozostaje, w jaki sposób z tego roju neuronów wyłania się nasza pamięć. Hipokamp jest głęboko położonym regionem w mózgu ssaków, który od dawna uznaje się za archetypiczny ośrodek tworzenia się pamięci. Celem finansowanego przez UE projektu IVSTED było zbadanie połączeń między neuronami hipokampa in vivo przy zachowaniu subkomórkowej rozdzielczości przestrzennej.
Neurony hipokampa przetwarzają informacje, angażując niezliczone wejściowe sygnały synaptyczne poprzez kolce dendrytyczne. Badacze koncentrowali się na dynamicznych zmianach zachodzących w tych maleńkich przedziałach neuronalnych. Zmiany struktury kolców, czyli tak zwana plastyczność strukturalna, umożliwiają synapsom modulowanie siły połączeń.
– Kolce dendrytyczne są bardzo dynamiczne, a ich plastyczność (lub siła synaptyczna) uważa się obecnie za silnie skorelowaną strukturalnie ze śladem pamięciowym. Jednak ze względu na ich nanometrowe rozmiary i dużą gęstość niezwykle trudno jest eksperymentalnie badać i określać ich drobną strukturę w realistycznym środowisku – wyjaśnia Stéphane Bancelin, koordynator projektu IVSTED.
Niespotykana dotąd rozdzielczość przestrzenna
W ramach projektu powstał mikroskop, który oferuje rozdzielczość przestrzenną wystarczającą do obserwacji drobnych szczegółów kolców dendrytycznych. Urządzenie to zastosowano do monitorowania in vivo synaps w mózgu znieczulonej myszy. Do tej pory konwencjonalne mikroskopy optyczne nie pozwalały prawidłowo uchwycić szczegółów morfologicznych tych struktur postsynaptycznych, natomiast mikroskopy elektronowe dostarczały jedynie migawek unieruchomionych fragmentów mózgu. Ograniczało to wgląd neuronaukowców w dynamikę kolców i możliwości zrozumienia mechanizmów synaptycznych leżących u podstaw fizjologii i zachowania mózgu.
Naukowcy z projektu IVSTED wykorzystali potencjał mikroskopii typu STED (wymuszonego wygaszania emisji), techniki mikroskopii o superrozdzielczości, która obchodzi ograniczenia rozdzielczości dyfrakcyjnej w celu zwiększenia rozdzielczości. Do głębszej obserwacji tkanek wykorzystano również przestrzenną modulację światła, technologię z zakresu optyki adaptacyjnej, która umożliwia przestrzenne kształtowanie wiązki światła w celu wyeliminowania zniekształceń (aberracji) wywoływanych przez tkankę na dużych głębokościach. – Jako pierwszym udało nam się zwizualizować struktury postsynaptyczne w hipokampie żywego zwierzęcia, z rozdzielczością przestrzenną poniżej 50 nm – mówi Bancelin.
Stabilna pamięć przy niestabilnych synapsach
Naukowcy badali nie tylko nanoskalową morfologię kolców dendrytycznych, ale także formowanie się i zanikanie tych przejściowych struktur postsynaptycznych. – Zauważyliśmy niezwykle wysoki współczynnik formowania się i zanikania synaps: około 40 proc. obserwowanych kolców dendrytycznych zostało wymienionych na nowe w ciągu 4 dni. Nasze obserwacje są zgodne z niedawnym badaniem, które ujawniło, że zmienna natura hipokampa ssaków odzwierciedla dynamikę formowania się i zanikania jego synaps – tłumaczy naukowiec.
Powstaje pytanie, czy w hipokampie istnieje stabilna populacja synaps? Naukowcy chcieliby kontynuować prace nad tą przebudową synaptyczną, aby ustalić, w jaki sposób mózg reaguje na zmieniające się warunki zachowania i jak tworzy nowe wspomnienia.
Projekt IVSTED doprowadził już do powstania nowych technik badania strukturalnych mechanizmów powstawania pamięci. – Zrozumienie zasad działania i anatomii skomplikowanych sieci w mózgu może dostarczyć wskazówek na temat mechanizmów komórkowych leżących u podstaw zaburzeń neurologicznych. Na przykład wiele badań sugeruje, że utrata pamięci i inne deficyty poznawcze w chorobie Alzheimera wynikają przede wszystkim z upośledzenia synaps – dodaje na koniec Bancelin.
