Νευροεπιστήμονες του MIT ανακάλυψαν ότι ο εγκέφαλος των ενηλίκων περιέχει εκατομμύρια “σιωπηλές συνάψεις”—ανώριμες συνδέσεις μεταξύ νευρώνων που παραμένουν ανενεργές μέχρι να στρατολογηθούν για να βοηθήσουν στο σχηματισμό νέων αναμνήσεων. Μέχρι τώρα, πίστευαν ότι οι σιωπηλές συνάψεις υπήρχαν μόνο κατά την πρώιμη ανάπτυξη, όταν βοηθούσαν τον εγκέφαλο να μάθει τις νέες πληροφορίες στις οποίες εκτίθεται νωρίς στη ζωή. Ωστόσο, η νέα μελέτη του MIT αποκάλυψε ότι σε ενήλικα ποντίκια, περίπου το 30% όλων των συνάψεων στον φλοιό του εγκεφάλου είναι σιωπηλές.
Η ύπαρξη αυτών των σιωπηλών συνάψεων μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς ο ενήλικος εγκέφαλος είναι σε θέση να σχηματίζει συνεχώς νέες αναμνήσεις και να μαθαίνει νέα πράγματα χωρίς να χρειάζεται να τροποποιεί τις υπάρχουσες συμβατικές συνάψεις, λένε οι ερευνητές. “Αυτές οι σιωπηλές συνάψεις αναζητούν νέες συνδέσεις και όταν παρουσιάζονται σημαντικές νέες πληροφορίες, οι συνδέσεις μεταξύ των σχετικών νευρώνων ενισχύονται. Αυτό επιτρέπει στον εγκέφαλο να δημιουργεί νέες αναμνήσεις χωρίς να αντικαθιστά τις σημαντικές μνήμες που είναι αποθηκευμένες σε ώριμες συνάψεις, οι οποίες είναι πιο δύσκολο να αλλάξουν.”, λέει η Δήμητρα Βαρδαλάκη, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης.
Η ανακάλυψη των σιωπηλών συνάψεων
Ο Mark Harnett, αναπληρωτής καθηγητής εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών, είναι ο ανώτερος συγγραφέας της εργασίας, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Nature. Ο Kwanghun Chung, αναπληρωτής καθηγητής χημικής μηχανικής στο MIT, είναι επίσης συγγραφέας. Όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά σιωπηλές συνάψεις πριν από δεκαετίες, παρατηρήθηκαν κυρίως στον εγκέφαλο νεαρών ποντικών και άλλων ζώων. Κατά την πρώιμη ανάπτυξη, αυτές οι συνάψεις πιστεύεται ότι βοηθούν τον εγκέφαλο να αποκτήσει τις τεράστιες ποσότητες πληροφοριών που χρειάζονται τα μωρά για να μάθουν για το περιβάλλον τους και πώς να αλληλεπιδρούν με αυτό. Σε ποντίκια, αυτές οι συνάψεις πιστεύεται ότι εξαφανίζονται σε ηλικία περίπου 12 ημερών.
Ωστόσο, ορισμένοι νευροεπιστήμονες έχουν προτείνει ότι οι σιωπηλές συνάψεις μπορεί να επιμείνουν στην ενήλικη ζωή και να βοηθήσουν στο σχηματισμό νέων αναμνήσεων. Στοιχεία για αυτό έχουν παρατηρηθεί σε ζωικά μοντέλα εθισμού, τα οποία πιστεύεται ότι είναι σε μεγάλο βαθμό μια διαταραχή παρεκκλίνουσας μάθησης. Θεωρητική εργασία στο πεδίο από τους Stefano Fusi και Larry Abbott του Πανεπιστημίου Κολούμπια πρότεινε επίσης ότι οι νευρώνες πρέπει να εμφανίζουν ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών μηχανισμών πλαστικότητας για να εξηγήσουν πώς οι εγκέφαλοι μπορούν να μαθαίνουν αποτελεσματικά νέα πράγματα και να τα διατηρούν στη μακροπρόθεσμη μνήμη.
Σε αυτό το σενάριο, ορισμένες συνάψεις πρέπει να εγκατασταθούν ή να τροποποιηθούν εύκολα, για να σχηματιστούν οι νέες μνήμες, ενώ άλλες πρέπει να παραμείνουν πολύ πιο σταθερές, για να διατηρηθούν οι μακροπρόθεσμες μνήμες. Στη νέα μελέτη, η ομάδα του MIT δεν ξεκίνησε ειδικά να ψάξει για σιωπηλές συνάψεις. Αντίθετα, παρακολουθούσαν ένα ενδιαφέρον εύρημα από μια προηγούμενη μελέτη στο εργαστήριο του Harnett. Σε αυτό το έγγραφο, οι ερευνητές έδειξαν ότι μέσα σε έναν μόνο νευρώνα, οι δενδρίτες – επεκτάσεις που μοιάζουν με κεραία που προεξέχουν από τους νευρώνες – μπορούν να επεξεργαστούν τη συναπτική είσοδο με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με τη θέση τους.
Ως μέρος αυτής της μελέτης, οι ερευνητές προσπάθησαν να μετρήσουν τους υποδοχείς νευροδιαβιβαστών σε διαφορετικούς δενδριτικούς κλάδους, για να δουν αν αυτό θα βοηθούσε να εξηγηθούν οι διαφορές στη συμπεριφορά τους. Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται eMAP (Επιτόπιο-συντήρηση Μεγεθυμένη Ανάλυση του Πρωτεώματος), που αναπτύχθηκε από τον Chung. Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, οι ερευνητές μπορούν να επεκτείνουν φυσικά ένα δείγμα ιστού και στη συνέχεια να επισημάνουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες στο δείγμα, καθιστώντας δυνατή τη λήψη εικόνων εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης.
Ενώ έκαναν αυτή την απεικόνιση, έκαναν μια εκπληκτική ανακάλυψη. “Το πρώτο πράγμα που είδαμε, το οποίο ήταν εξαιρετικά παράξενο και δεν περιμέναμε, ήταν ότι υπήρχαν παντού φιλοπόδια”, λέει ο Χάρνετ. Φιλοπόδια, λεπτές προεξοχές μεμβράνης που εκτείνονται από τους δενδρίτες, έχουν παρατηρηθεί στο παρελθόν, αλλά οι νευροεπιστήμονες δεν ήξεραν ακριβώς τι κάνουν. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι τα φιλοπόδια είναι τόσο μικροσκοπικά που είναι δύσκολο να τα δει κανείς χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές απεικόνισης.
Αφού έκανε αυτή την παρατήρηση, η ομάδα του MIT ξεκίνησε να προσπαθήσει να βρει φιλοπόδια σε άλλα μέρη του εγκεφάλου των ενηλίκων, χρησιμοποιώντας την τεχνική eMAP. Προς έκπληξή τους, βρήκαν φιλοπόδια στον οπτικό φλοιό του ποντικιού και σε άλλα μέρη του εγκεφάλου, σε επίπεδο 10 φορές υψηλότερο από ό,τι είχαν δει προηγουμένως. Βρήκαν επίσης ότι το φιλοπόδιο είχε υποδοχείς νευροδιαβιβαστών που ονομάζονται υποδοχείς NMDA, αλλά όχι υποδοχείς AMPA.
Μια τυπική ενεργή σύναψη έχει και τους δύο αυτούς τύπους υποδοχέων, οι οποίοι δεσμεύουν τον νευροδιαβιβαστή γλουταμινικό. Οι υποδοχείς NMDA συνήθως απαιτούν συνεργασία με τους υποδοχείς AMPA για να περάσουν σήματα επειδή οι υποδοχείς NMDA μπλοκάρονται από ιόντα μαγνησίου στο φυσιολογικό δυναμικό ηρεμίας των νευρώνων. Έτσι, όταν δεν υπάρχουν υποδοχείς AMPA, οι συνάψεις που έχουν μόνο υποδοχείς NMDA δεν μπορούν να περάσουν κατά μήκος ενός ηλεκτρικού ρεύματος και αναφέρονται ως “σιωπηλές”.