Beyindeki uzaysal haritalamanın altında yatan moleküler mekanizmalar

Beynin bu uzaysal haritaları nasıl oluşturduğu şaşırtıcı derecede karmaşıktır – davranışı şekillendirmek için genler, proteinler ve sinir devreleri arasında karmaşık bir moleküler etkileşimi içeren bir süreç. Belki de şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu çok oyunculu etkileşimin kesin adımları nörobiyologların gözünden kaçtı.

Şimdi, bilim adamları, Harvard Tıp Okulu’ndaki Blavatnik Enstitüsü içindeki bir çoklu laboratuvar işbirliğiyle, beyinde uzaysal haritaların oluşturulmasında yer alan moleküler mekanizmaları anlama yönünde büyük bir ilerleme kaydettiler.

Farelerde yürütülen ve 24 Ağustos’ta yayınlanan yeni çalışma Doğaolarak adlandırılan bir gen olduğunu belirler. Fos uzamsal haritalamada önemli bir oyuncudur ve beynin çevrenin istikrarlı temsillerini oluşturmak ve sürdürmek için özel navigasyon hücrelerini kullanmasına yardımcı olur.

HMS’de nörobiyoloji doçenti olan kıdemli yazar Christopher Harvey, “Bu araştırma, moleküller ile davranış ve hafıza için devrelerin işlevi arasında oldukça doğrudan bir bağlantı kurmak için farklı anlayış seviyeleri arasında bağlantı kuruyor” dedi. “Burada mekansal haritaların oluşumunun ve istikrarının altında yatan şeyi anlayabiliriz.”

Bulgular insanlara tercüme edilirse, beynimizin uzamsal haritaları nasıl oluşturduğu hakkında çok önemli yeni bilgiler sağlayacaktır. Sonunda, bu bilgi, bilim adamlarının, genellikle beyin hasarı veya nörodejenerasyonun bir sonucu olarak yaptığı gibi, bu süreç bozulduğunda ne olduğunu daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.

hafıza haritaları

Hipokampus beynin temporal lobunun derinliklerinde yer alır ve fareler ve insanlar da dahil olmak üzere birçok tür için öğrenme, hafıza ve navigasyonda önemli bir rol oynar. Bilim adamları, navigasyon için hipokampusun, bir hayvan uzayda farklı yerlerde olduğunda seçici olarak aktif hale gelen, yer hücreleri adı verilen özel nöronlar içerdiğini uzun zamandır biliyorlar. Bir hayvan çevresinde hareket ederken açılıp kapanarak, yer hücreleri esasen bir hafızaya dahil edilebilecek çevredeki alanın bir haritasını oluşturur.

Harvey, “Laboratuvarım, yer hücrelerinin çevrenin bir haritasını nasıl oluşturduğu ve uzamsal anıları nasıl oluşturduğu da dahil olmak üzere, uzaysal navigasyonu yıllardır araştırıyor” dedi ve yine de “bu süreçlerin altında yatan moleküler mekanizmaları, davranış gösteren hayvanda çalışmak zordu.”

Harvey laboratuvarında nörobiyoloji alanında araştırma görevlisi olan Harvey ve ilk yazar Noah Pettit, bu haritalama sürecinde yer alan moleküler kademeyi incelemek için, kıdemli yazar Michael Greenberg, HMS’de Nathan Marsh Pusey Nörobiyoloji Profesörü ve yazar Lynn ile birlikte çalıştı. Harvard Nörobilim Doktora Programı mezunu olan Yap, doktorasını Greenberg laboratuvarında yaptı.

Greenberg’in laboratuvarı, Fos diğer genlerin ekspresyonunu düzenleyen bir transkripsiyon faktörü proteinini kodlayan gen. Daha önceki araştırmalarda Greenberg ve meslektaşları şunu gösterdi: Fos bir nöron aktive edildikten dakikalar sonra ifade edilir, bu da onu beyindeki nöral aktivite için faydalı bir belirteç yapar. Bunu da gösterdiler Fos Navigasyon ve hafıza oluşumu da dahil olmak üzere farklı nöral plastisite türleri için bir arabulucu görevi görür. Ancak aralarındaki ilişki Fos ve hipokampustaki yer hücreleri bilinmiyordu.

Müfettişler merak etti Fos farelerin çevrelerinde gezinirken uzamsal haritaları nasıl oluşturduklarıyla ilgili olabilir.

Ekip, bunu bulmak için Harvey’in laboratuvarında geliştirilen ve fareleri sanal gerçeklik labirentine yerleştiren bir teknik kullandı: Bir fare, bir labirenti çözmek gibi uzamsal bir gezinme görevini görüntüleyen geniş, surround ekrana bakarken bir topun üzerinde koşar. bir ödül. Fare topun üzerinde ilerleyip görevi yerine getirirken, araştırmacılar sinirsel aktiviteyi ve Fos hipokampusta ifade.

Greenberg’in “teknik bir güç gösterisi” dediği şeyde Pettit, aralarındaki bağlantıyı çözmek için bir dizi karmaşık deneye öncülük etti. Fos ve hücreleri yerleştirin. Ekip, bir farenin bir gezinme görevi gerçekleştirmesinden sonraki saatlerde, yüksek Fos ifadesinin, düşük olanlardan daha doğru yer alanları – uzamsal konumu işaret eden yer hücrelerinin kümeleri – oluşturma olasılığı daha yüksekti. Fos ifade. Ayrıca nöronların yüksek Fos ifade, fare görevi sonraki günlerde tekrarladıkça uzamsal konumu göstermede zaman içinde daha güvenilir olan yer alanlarına sahipti.

“Bu bize, fare gezinirken anbean bazında, indükleyen nöronların Fos Görevi çözmek ve hatırlamak için gereken anahtar değişken olan farenin uzamsal konumu hakkında çok sağlam bilgilere sahip,” diye açıkladı Pettit.

Araştırmacılar nakavt ettiğinde Fos Hipokampus içindeki nöronların bir alt kümesinde, bu hücrelerin, çevrenin normal uzamsal haritalarına göre daha az doğru uzamsal haritalara sahip olduğunu gözlemlediler. Fos ifade. Ayrıca, eksik hücrelerdeki haritalar Fos günler boyunca daha az kararlıydı ve bu nedenle çevrenin anıları olarak daha az güvenilirdi.

“Fos Greenberg, yer hücrelerinin kararlılığını ve doğruluğunu korumak ve beyinde zaman içinde bir uzaysal haritayı temsil etmek için önemli görünüyor.” Dedi.

“Birçok çalışma var Fos ve yer hücreleri üzerine pek çok çalışma yapıldı, ancak bu ikisini doğrudan birbirine bağlayan ilk makalelerden biri,” diye ekledi Harvey, “Bu mekanizmaları araştırmak için pek çok heyecan verici yeni yönler açıyor.”

Örneğin, Greenberg, belirli moleküller ve hücreler olarak dahil olan hücreleri araştırmak istiyor. Fos beynin zaman içinde sabit uzamsal haritalar oluşturmasına ve korumasına yardımcı olur. Ayrıca farklı rolleri anlamak istiyor. Fos uzamsal harita anıları hipokampustan diğer beyin bölgelerine aktarılırken oynayabilir. Benzer bir şekilde Harvey, Fos uyku sırasında uzamsal harita hafızalarının katılaştırıldığı sürecin bir parçasıdır.

Çalışma farelerde yapılmış olmasına rağmen, araştırmacılar sistemin çoğunun insanlar da dahil olmak üzere türler arasında korunduğunu kaydetti. Bulgular insanlarda doğrulanabilirse, bilim adamlarının beynimizin uzamsal haritaları nasıl oluşturduğunu ve yaralanma veya hastalık nedeniyle bu yeteneği kaybettiğimizde ne olduğunu anlamalarına yardımcı olabilirler.

Bilimin ötesinde, araştırmacılar, araştırmanın hücresel ve moleküler mekanizmaları inceleyen bir laboratuvar ile hayvan davranışı ve sinir devrelerine odaklanan bir laboratuvar arasında alışılmadık bir ortaklığı temsil ettiğini vurguladılar.

Greenberg, “İki laboratuvarımız, departmanda yaptıklarımız açısından birbirinden yaklaşık olarak uzakta, ancak moleküllerin öğrenmeyi, hafızayı ve davranışı kontrol eden nöral devrelerle nasıl etkileşime girdiğini incelemek için bir araya geldik.” Dedi.

“Bu, bunu öğrenmek için doğal ve heyecan verici bir işbirliğiydi. Fos Harvey, uzamsal hafızalarda ve uzamsal navigasyonda bir rol oynar,” diyerek hemfikir oldu. “Bütün bu farklı nörobiyoloji seviyelerinde uzman olmak zor, ancak birlikte çalışarak, iki laboratuvar boşluğu doldurmayı başardı.”

Finansman Ulusal Sağlık Enstitüleri (DP1 MH125776, R01 NS089521, R01 NS028829 hibeleri), Stuart HQ & Victoria Quan Bursu, HMS Nörobiyoloji Bölümü yüksek lisans bursu ve Harvard Aramont Burs Fonu tarafından sağlandı. Greenberg laboratuvarı, Allen Keşif Merkezleri tarafından desteklenmektedir.