Plastyczność jest jedną z tych właściwości mózgu, którą współcześnie uznajemy za rzecz jednocześnie fascynującą i całkiem oczywistą. Większość z nas zdaje sobie sprawę z tego, że zdolność neuronów do reorganizacji połączeń (plastyczność synaptyczna) leży u podstaw tego, że możemy cieszyć się nabywaniem nowych umiejętności i wiedzy, lub też ucieszyć innych zmianą naszych irytujących nawyków. Podstawowy mechanizm komórkowy odpowiedzialny za zdolność do tworzenia trwałych połączeń między neuronami, czyli tzw. długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (ang. long-term potentiation, LTP), został po raz pierwszy opisany już w 1966 roku. Najprostsza, asocjacyjna postać LTP działa zgodnie z zaproponowaną przez Donalda Hebba w 1949 roku regułą jego imienia, którą zgrabnie opisuje aforyzm: „komórki wspólnie pobudzane łączą się ze sobą” (ang. „Cells that fire together wire together.”). Z reguły Hebba wynika również, że połączenia między komórkami, które nie są wspólnie pobudzane, będą osłabiane, a fizjologicznym odpowiednikiem tej zasady jest długotrwałe osłabienie synaptyczne (ang. long-term depression, LTD). Zarówno LTP, jak i LTD powodują zmiany strukturalne w dendrytach pobudzanych komórek, na których to znajdują się liczne kolce dendrytyczne – miejsca połączeń z zakończeniami aksonów komórek doprowadzających impulsy. LTP zazwyczaj powoduje powiększenie główki kolca, natomiast LTD zmniejsza jej średnicę.

Diabeł tkwi w szczegółach…

Jak dotąd powyższy model wydaje się prosty, skoro jednak pojedynczy dendryt komórki piramidowej osiąga długość kilkuset mikrometrów (mikronów), a zagęszczenie kolców dendrytycznych to średnio ok. 5 kolców/mikron, to w jaki sposób komórka „wybiera”, które spośród aktualnie pobudzanych kolców/połączeń są bardziej istotne i wymagają powiększenia? Jest to ważny problem, ponieważ bezkrytyczne powiększanie kolców dendrytycznych może prowadzić do nadmiernej pobudliwości komórki i utraty jej funkcjonalności. Eksperymenty zrealizowane niedawno we współpracy badaczy z MIT, Politechniki w Lozannie i Uniwersytetu w Tokio rzucają nowe światło na molekularne rozwiązanie tego dylematu plastyczności synaptycznej. Co więcej, dzięki pionierskiemu połączeniu kilku technik, wnioski z badań laboratoryjnych są bezpośrednim odzwierciedleniem mechanizmów fizjologicznych obecnych w żywych, świadomych organizmach, ponieważ precyzyjne obrazowanie pojedynczych dendrytów zrealizowano właśnie na w pełni świadomych myszach wykonujących proste zadanie percepcyjne (!).

Podglądanie komórek w akcji

W pierwszej kolejności badacze wykorzystali istnienie tzw. pól recepcyjnych komórek nerwowych. W przypadku badanych tutaj komórek pierwszorzędowej kory wzrokowej (V1), polem recepcyjnym komórki jest takie położenie i kształt bodźca wzrokowego, które powodują wyładowanie komórki. Celem manipulacji eksperymentalnej była zmiana pola recepcyjnego wybranych komórek V1. Dzięki prezentowaniu myszom bodźca w miejscu ekranu, na które badane neurony nie miały wcześniej pola recepcyjnego, oraz jednoczesnemu stymulowaniu tych neuronów, naukowcy wykazali, że fizjologiczne pobudzenie kolców dendrytycznych przez aksony sygnalizujące obecność bodźca nie tylko powodowało powiększenie pobudzanych kolców, ale jednocześnie zmniejszało sąsiadujące kolce. Obrazowanie strukturalnych zmian dendrytów wykonano za pomocą mikroskopu dwufotonowego, natomiast precyzyjną stymulację komórek umożliwiły techniki optogenetczne. Dodatkowo prześledzono tempo obserwowanych zmian w ciągu dwóch godzin. Okazało się, że zarówno największy przyrost kolców odpowiadających na bodziec, jak i obkurczanie sąsiadujących kolców, miały miejsce bezpośrednio po manipulacji eksperymentalnej. Ponieważ techniki optogenetyczne wymagają przeprogramowania komórki, tak aby produkowała kanały jonowe wrażliwe na światło, badacze potwierdzili swoje odkrycie za pomocą mniej inwazyjnej (dla komórki) techniki tzw. deprywacji jednoocznej. Polegała ona na tymczasowym zamknięciu  jednego z oczu myszy, a następnie przeprowadzeniu powyższego eksperymentu percepcyjnego w polu wzrokowym tego oka tuż po jego otwarciu, kiedy to można było obserwować naturalne wzmacnianie niedobodźcowanych synaps. Również w tych warunkach kolce dendrytyczne synchronicznie zmieniały swoje rozmiary w sposób zapewniający równowagę komórce.

Jak to działa?

Nadal otwartym pozostawało pytanie o mechanizm stojący za obserwowanymi zmianami. Żeby na nie odpowiedzieć, badacze skupili swoją uwagę na receptorze AMPA. AMPA to jeden z ważniejszych receptorów/kanałów jonowych aktywowanych przez kwas glutaminowy (główny neuroprzekaźnik pobudzający w układzie nerwowym). Ilość AMPA w błonie komórkowej ulega zmianie w celu adaptacji odpowiedzi komórki na bodźce. Zwiększenie ilości AMPA ułatwia pobudzenie neuronu (LTP), natomiast zmniejszanie daje odwrotny efekt (LTD). Zgodnie z przewidywaniami, po powtórzeniu optogenetycznej manipulacji polem recepcyjnym neuronów wyposażonych w wyznakowane fluorescencyjnie AMPA, u żywych myszy badacze zaobserwowali więcej receptorów w powiększonych kolcach dendrytycznych i równolegle zmniejszenie ich ilości w skurczonych kolcach. Ponieważ zmiany były bardzo szybkie, w dalszej kolejności sprawdzono białko kodowane przez gen natychmiastowej wczesnej odpowiedzi komórkowej - ARC.

Białko Arc (ang. Activity-regulated cytoskeleton-associated protein) od dawna kojarzone jest z plastycznością synaptyczną, ale jego „zachowanie” przysparzało jak dotąd problemów interpretacyjnych. U podstaw kłopotliwości Arc leży fakt, że odpowiada ono za zmniejszanie ilości receptorów AMPA, ale w badaniach nad LTP obserwowano zwiększenie ilości Arc w stymulowanych komórkach. Obecne badania rozwiewają ten paradoksalny - z pozoru - efekt. Otóż okazało się, że ilość Arc rośnie tylko w pomniejszonych kolcach dendrytycznych, otaczających kolec odpowiadający na bodziec, gdzie – z kolei - obserwuje się ograniczenie ekspresji Arc, co umożliwia wzrost liczby receptorów AMPA. 

Może się wydawać, że obserwowanie pojedynczych kolców dendrytycznych w żywej myszy dostarcza wystarczająco dużo informacji. Ponieważ jednak dociekliwość naukowców nie zna granic, próbki zbadanych fragmentów pola V1 kory zostały pośmiertnie zobrazowane w mikroskopie elektronowym, gdzie zlokalizowano wyznakowane dendryty i ustalono jakie zmiany zaszły w synapsach na badanych kolcach dendrytycznych. Badaniem tym wykazano, że większa objętość kolców dendrytycznych skorelowana była pozytywnie z powierzchnią pola synaptycznego, a zatem z siłą połączenia między komórkami. Przy okazji naukowcy z Lozanny ustalili nowy (trzeba przyznać, że bardzo hermetyczny) rekord wielkości dendrytu obserwowanego in vivo i zrekonstruowanego w 3D za pomocą mikroskopu elektronowego.    

Podsumowanie

Wyniki powyższej serii eksperymentów dowodzą, że w żywym, przetwarzającym bodźce środowiskowe mózgu, dochodzi do interakcji między synapsami leżącymi w odległości kilkudziesięciu mikronów od siebie w trakcie tworzenia nowej sieci połączeń (tzw. plastyczność heterosynaptyczna). Co więcej, zachodzące w czasie rzeczywistym zmiany homeostatyczne w obrębie pojedynczego dendrytu, są wynikiem natychmiastowej ekspresji białka, które reguluje ilość jednego z najbardziej podstawowych receptorów zaangażowanych w procesy pamięci i uczenia się.   

Bibliografia:

El-Boustani, S. et al. (2018) ‘Locally coordinated synaptic plasticity of visual cortex neurons in vivo’, Science, 360(6395), pp. 1349–1354. doi: 10.1126/science.aao0862.