W największym uproszczeniu plastyczność mózgu można zdefiniować jako zmianę liczby połączeń synaptycznych mózgu, ale także ich odpowiedzi elektrofizjologicznej^[1]. Opiera się ona na prawie sformułowanym przez Hebba: „Jeśli neuron A wielokrotnie lub stale brał udział w wyzwalaniu impulsów neuronu B, w jednym lub drugim neuronie zachodzą zmiany zwiększające wpływ pobudzania neuronu B przez neuron A”. Twierdzenie to stanowi podstawę bardziej aktualnego modelu plastyczności, zwanego w skrócie STDP (ang. spike-timing-dependent plasticity), który podkreśla rolę następstwa czasowego zdarzeń w obszarze synaptycznym. Kiedy najpierw dochodzi do aktywacji części presynaptycznej, a w odstępie kilku milisekund potencjał czynnościowy pojawia się w części postsynaptycznej (pozytywne STDP), to połączenie ulega wzmocnieniu. W odwrotnym przypadku siła połączenia ulegnie osłabieniu (negatywne STDP). Oczywiście taka koincydencja musi zajść wielokrotnie, aby zmiany zostały utrwalone. Właśnie te, w teorii proste zależności uznawane są za biologiczny mechanizm powstawania śladów pamięciowych i uczenia się.

Proces plastyczności zbadano już w wielu obszarach mózgu, między innymi w hipokampie, płatach ciemieniowych^[1], a także w prążkowiu (łac. striatum). Kojarzone jest ono zwykle z ruchami zautomatyzowanymi i napięciem mięśniowym^[2], ale ma swój udział także w nabywaniu nowych zachowań, a więc w procesie związanym z plastycznością. Na tej ostatniej funkcji prążkowia skupił się Simon Fischer z zespołem. Wyniki jego badań znalazły się w artykule opublikowanym niedawno w „Nature Communications”. Fischer zwrócił uwagę, że badania elektrofizjologiczne nad STDP połączeń kora – prążkowie prowadzone in vitro, a więc na skrawkach wypreparowanych mózgów, dają bardzo niejednoznaczne wyniki. W naturalnych warunkach podczas kojarzenia bodźca z reakcją do jąder podstawnych, do których należy prążkowie, dociera wiele sygnałów naraz, w tym te związane z rozpoczęciem aktywności, jej zakończeniem, a także efektem wykonania danej czynności. Kiedy jakieś zachowanie jest preferowane, wzrasta dodatkowo stężenie dopaminy, związanej z układem nagrody, która dodatkowo pomaga w utrwaleniu połączeń synaptycznych. Według Fischera powstaje swego rodzaju szlak spajający aktywność neuronów łączących korę z prążkowiem, z charakterystycznymi dla prążkowia striatal spiny projection neurons (SPNs), związanych z wyborem i wykonaniem danej czynności. Bez udziału wzmocnienia w postaci dopaminy szlak ten słabnie z czasem, co może być widoczne właśnie w niejednorodnych wynikach badań in vitro. Podczas tego typu eksperymentów dopamina nie pojawia się celowo i po określonym czasie od wystąpienia STDP, a jedynie jako uboczny produkt stymulacji. Ponadto nie ma ekspresji glutamatergicznej z podwzgórza, która zwykle towarzyszy wyrzutowi dopaminy. Stąd nowatorski pomysł na przeprowadzenie badań in vivo – na żywych zwierzętach, wraz z modelowaniem komputerowym i testami behawioralnymi, aby uzyskać jednolite wyniki STDP w obszarze kortykostriatalnym (łączącym korę z prążkowiem), a także ocenić, jak dużą rolę w całym procesie odgrywa wzmocnienie wywołane informacją zwrotną ze środowiska.

STDP in vivo

Eksperymenty przeprowadzono na szczurach umieszczonych w aparacie stereotaktycznym i poddanych narkozie uretanowej. W pierwszym etapie okolice kory motorycznej drażniono prądem o określonej częstotliwości potrzebnej do wywołania dwóch rodzajów STDP, a rejestracje potencjałów czynnościowych przeprowadzano w prążkowiu. Choć po stymulacji pojawiły się pewne zmiany w przewodnictwie, to były one niewielkie, a obie grupy (pozytywne i negatywne STDP) nie różniły się istotnie od siebie. Nie udało się uzyskać oczekiwanych dwukierunkowych zmian plastyczności synaptycznej obserwowanych zwykle w eksperymentach in vitro.

W kolejnym etapie spróbowano stworzyć model sytuacyjny, gdzie bodziec ulega dodatkowemu wzmocnieniu (rys. 1). W tym wypadku błysk światłem w oko szczura powiązano z bodźcem bezwarunkowym – podrażnieniem części zbitej istoty czarnej (SNc), co miało prowadzić do wyrzutu dopaminy do prążkowia. Powstał model zachowania, w którym po pobudzeniu kory motorycznej (wywołanie STDP w szlaku kortykostriatalnym), następuje błysk światła (informacja zwrotna ze środowiska), skutkujący uwolnieniem dopaminy do prążkowia i nagrodzeniem zachowania. Wzbudzenie pozytywnego STDP wywoływało wzmocnienie synaptyczne, a negatywnego STDP depresję synaptyczną.

Rys. 1. Schemat eksperymentu elektrofizjologicznego in vivo.

Pytanie brzmi, w jakim stopniu istotna była tu rola światła, a jak dalece efekt wywołało pobudzenie SNc  i wyrzut dopaminy. Aby to sprawdzić, zastosowano ten sam protokół, ale bez błysku lampy. Okazało się, że samo drażnienie mózgu nie powoduje żadnej istotnej zmiany. Potwierdziło to, jak ważne jest drugorzędowe wzmocnienie w postaci informacji zwrotnej ze środowiska. Ważny jest także moment jego zajścia. Eksperymenty z różnymi warunkami czasowymi wykazały, że błysk musi pojawić się do 2 sekund po STDP, żeby wywołać zmiany w potencjale neuronów w szlaku kortykostriatalnym. Wydaje się, że to bardzo krótko, ale wystarczy to porównać ze zmianami w synapsach, które zachodzą w przeciągu milisekund, aby dostrzec wielki kontrast.

We wcześniejszych badaniach, żeby światło przyniosło zamierzony efekt, niezbędne było zastosowanie lokalnie we wzgórku górnym bikukuliny, anatogonisty receptora GABA_A, która miała znieść hamujący efekt anestezji. Tutaj, prawdopodobnie, wielokrotne łącznie bodźca świetlnego z drażnieniem mózgu pozwoliło na ten sam efekt, czyli wzmocnienie synaps spiny projection neurons (SPNs), bez konieczności rozhamowania drogi wzgórkowo-wzgórzowej.

Zbadano także receptory w neuronach prążkowia biorące udział w plastyczności. Użycie antagonistów zarówno receptorów D1 dopaminy, jak i A_2A adenozyny wykazało ich jednakowy udział w tworzeniu pozytywnego PSTD. Niestety nie zbadano receptorów D₂ dopaminowych.

Podsumowując, behawioralne wzmocnienie np. w postaci błysku świetlnego następującego  po wywołaniu STDP i skojarzone z nagradzającym drażnieniem mózgu, jest niezbędne do modulowania STDP i wywoływania plastyczności synaptycznej w szlaku kortykostriatalnym, który bierze udział w nabywaniu nowych zachowań. Ponadto w krytycznym oknie czasowym następującym po STDP światło może wywołać fazowy wzrost stężenia dopaminy w prążkowiu, wpływając dodatkowo na utrwalenie tych zmian.

STDP w modelu komputerowym

Następnym krokiem było wprowadzenie danych uzyskanych in vivo do komputera i stworzenie modelu składającego się z populacji komórek piramidowych i SPNs, aby odtworzyć połączenia kory z prążkowiem. Dzięki temu możliwe jest weryfikowanie nowych hipotez bez wykorzystywania kolejnych zwierząt.

Sprawdzono warunek, w którym błysk świetlny pojawiał się bez stymulacji mózgu. Zaobserwowano wzrost wzmocnienia synaptycznego, prawdopodobnie wynikający z nowości bodźca, ale zmiany te byłby krótkotrwałe. W warunkach, kiedy drażnienie istoty czarnej następowało później niż 2 sekundy po STDP lub doszło do lezji ścieżki łączącej wzgórze z prążkowiem, obserwowano depresję podobną do tej, jaka występowała po pojedynczym pozytywnym sparowaniu STDP bez wzmocnienia in vivo.

STDP w badaniach behawioralnych

Żeby sprawdzić, czy badania elektrofizjologiczne i modelowanie mają swoje odzwierciedlenie w naturalnych warunkach, zaimplementowano szczurom elektrody stymulujące istotę czarną, a następnie nauczono je wykonywać zadanie z joystickiem, który był umieszczony na niewielkiej platformie^[3]. Po wstępnych fazach, kiedy zwierzęta uczyły się obsługi sprzętu, a w szczególności precyzyjnego przesuwania joysticka przednimi łapkami, przyszła pora na właściwy eksperyment. Szczury musiały skojarzyć, że kiedy przesuną joystick w odpowiednie miejsce i zapali się lampka, to, tak jak w badaniach in vivo, po jednej sekundzie dojdzie do stymulacji mózgu, czyli otrzymają nagrodę. Następnie miejsce, które powodowało zapalenie lampki, było zmieniane. Kiedy obecny był sygnał lampki i następowała stymulacja, proces uczenia występował szybko. Odpowiada to postępującym procesom plastycznym w badaniach elektrofizjologicznych. Sam sygnał świetlny, bez stymulacji, uniemożliwiał naukę – tak jak wcześniej, kiedy pojedynczy impuls powodował krótkie pobudzenie, a potem depresję.

Podsumowanie

Fisherowi i jego zespołowi udało się pokazać po raz pierwszy w nienaruszonym organizmie, że wzmacniające sygnały pojawiające się w odpowiednim czasie są niezbędne do indukowania pozytywnego i negatywnego STDP w obszarze łączącym korę mózgową z prążkowiem. To, jaki będzie końcowy efekt stymulacji, zależy zarówno od momentu wystąpienia potencjału pre-/postsynaptycznego, jak i od czasu pojawienia się wzmocnienia drugorzędowego. Tym oknem czasowym dla pozytywnego STDP w synapsach komórek kory i prążkowia jest pojawienie się nagradzającego drażnienia mózgu do 2 sekund po indukcji zmian plastycznych. Eksperymenty Fishera obrazowo pokazują, że „…plastyczność połączeń kory i striatum według praw Hebba może być indukowana przez klasyczne mechanizmy uczenia i mieć kluczowy udział w nabywaniu nowych zachowań.”

Na podstawie:

Fisher S. et al., Reinforcement determines the timing dependence of corticostriatal synaptic plasticity in vivo, Nature Communications, 2017, 8: 334.

Bibliografia:

1. Kossut M., Synapsy i plastyczność mózgu. W: Polskie i światowe osiągnięcia nauki. Nauki biologiczne. Oprac. zbiorowe. Gliwice: Fundacja im. Wojciecha Świętosławskiego na Rzecz Wspierania Nauki i Rozwoju Potencjału Naukowego w Polsce, 2010, s. 285-305.
2. Gołąb B. et al., Anatomia czynnościowa ośrodkowego układu nerwowego, Wydawnictwo lekarskie PZWL, 2004.
3. Fisher S. et al., A behavioral task for investigating action discovery, selection and switching: Comparison between types of reinforce, Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2014, 8: 398.