At lave minder

En ny stamme af gensplejsede mus har givet forskere mulighed for for første gang at udpege de præcise cellulære forbindelser, der dannes, når en hukommelse skabes. Ved at spore et protein mærket til at lyse fluorescerende grønt, når det migrerer gennem individuelle neuroner, fra cellelegemet ud gennem de forgrenede dendritter, kunne forskerne se præcis, hvilke synapser – forbindelser til andre neuroner – der var involveret, da musene lærte at frygte et elektrisk stød .

Følg gløden: Ved at konstruere mus til at fremstille et fluorescensmærket glutamatreceptorprotein (vist med grønt) i aktive neuroner, kunne forskere følge proteinets vej, da musene lærte at frygte et elektrisk stød. Neuronale cellelegemer vises i blåt.

Det er et første skridt i at visualisere de synapser, der koder for minder, siger Stephen Maren , direktør for den neurovidenskabelige kandidatuddannelse på University of Michigan , som ikke var involveret i forskningen. Vi har virkelig ikke haft et værktøj som dette til at se hukommelseskodning på et synaptisk niveau. Det er et spændende papir.

Vi udvikler teknikker, der giver os mulighed for at fokusere på de faktiske fysiske steder, der ændrer sig i hjernen med læring, med finere og finere opløsning, siger undersøgelsens ledende efterforsker, Mark Mayford , lektor i cellebiologi ved Scripps Research Institute .

Neurovidenskabsmænd mener, at for at en hukommelse kan dannes, skal individuelle synaptiske forbindelser styrkes som reaktion på en hukommelsesgenererende stimulus. Denne styrkelse er sandsynligvis resultatet af et specifikt sæt af proteiner, der migrerer til synapser i et præcist koreograferet mønster, men det forbliver et mysterium, hvilke proteiner der er involveret, og hvordan de er målrettet til deres destinationer. Den nye undersøgelse, som vises i dagens udgave af Videnskab , er den første til at spore et bestemt protein, da det finder vej til bestemte synapser.

Multimedier

• Se billeder af det glødende protein, når det rejser gennem neuroner.

Det undersøgte protein er en receptor for glutamat, en neurotransmitter, der tidligere var involveret i hukommelsesdannelse. Forskerne konstruerede en musestamme, så glutamatreceptoren ville lyse grønt under ekstremt specifikke, manipulerbare omstændigheder.

De genetisk modificerede mus blev derefter trænet til at forvente et elektrisk stød på deres fødder, hver gang de blev anbragt i en bestemt boks. Den resulterende frygt er en meget langvarig, meget robust hukommelse, siger Mayford. Formentlig, siger han, var neuronerne, der blev aktiveret, da musene lærte at frygte boksen, dem, der var ansvarlige for at danne den aversive hukommelse.

Den fluorescensmærkede glutamatreceptor blev modificeret, så neuroner først ville fremstille den, når de blev aktive. Dette gjorde det muligt for gruppen at identificere, hvilke neuroner der bidrog til hukommelsesdannelsen ved at følge det grønne skær.

Derudover kunne forskerne helt slukke for hele det mærkede proteinsystem ved at administrere stoffet doxycyclin. Musene blev fodret med doxycyclin hele deres liv – lige indtil indlæringsopgaven, og igen når opgaven var overstået. På denne måde blev det mærkede protein kun fremstillet under dannelsen af ​​denne særlige hukommelse.

Du fanger kun begivenhederne omkring læringsepisoden, siger Craig Powell , adjunkt i neurologi og psykiatri ved University of Texas Southwestern Medical Center , som ikke var involveret i forskningen.

Mayfords gruppe fulgte den glødende glutamatreceptor, da den migrerede gennem neuroner i en region kaldet hippocampus ved at undersøge hjerneskiver på flere tidspunkter efter læringsopgaven. De fandt ud af, at efter at proteinet var fremstillet i kernen, rejste det udad gennem cellens mange forgrenede dendritter og til sidst slog sig ned i fjerne synapser.

Overraskende nok lagde proteinet sig fortrinsvis i én slags synapse. Synapser kommer i nogle få varianter, afhængigt af om de er dannet af såkaldte tynde, stubbede eller svampede rygsøjler, der stikker ud fra cellen. Den mærkede glutamatreceptor migrerede primært ind i svampe-type synapser.

Jeg tror, ​​at det vigtigste ved denne undersøgelse er, at det tyder på, at en bestemt type rygsøjle kan være vigtigere for indlærings- og hukommelsesprocesser end andre typer rygsøjler, siger Powell.

Receptorens præference for svampesynapser antyder, at der i det mindste i processen med at danne en frygtrelateret hukommelse er et specialiseret menneskehandelssystem til at dirigere synaptiske proteiner til deres mål. Men hvilken slags molekylært flag, der bliver viftet for at sige: 'Kom herop og gør dit hjem ved min type synapse,' er ikke rigtig klart, siger Maren.

Et andet mysterium er, hvorfor den mærkede receptor forsvinder fra synapserne efter 72 timer, når hukommelsen varer meget længere. Andre proteiner og andre hjerneområder er næsten helt sikkert involveret i at danne og vedligeholde hukommelsen. Især amygdalaen spiller formentlig en nøglerolle. Mens hippocampus er afgørende for kodning af information om sted - i dette tilfælde boksen, hvor stødene blev administreret - synes amygdala at binde denne information til frygtreaktionen produceret af stødene.

Hippocampus er nok ikke det endelige opbevaringssted, siger Maren. Hvis du virkelig ville se, hvor langtidshukommelsen var kodet til denne type læring, vil du sandsynligvis se på amygdalaen.

I tidligere undersøgelser af amygdalaen ved hjælp af lignende konstruerede mus, viste Mayfords gruppe, at de samme neuroner aktiveres både når en hukommelse dannes, og når den senere hentes. I fremtidige undersøgelser kan forskerne anvende den nye tilgang i finere skala til at sondere hukommelsesdannelse i amygdala.

Mayford håber også at bruge den nye teknik til at belyse den præcise struktur af en hukommelse kodet af hippocampus - især et minde om boksen. Han planlægger at afgøre, om han kan lære en mus, der aldrig er blevet chokeret inde i kassen, at frygte det alligevel. For at gøre det ville han aktivere de hippocampale neuroner, der koder for boksens hukommelse, og derefter give musen et chok.

Hvis eksperimentet er vellykket, kan det hjælpe med at forklare, hvordan boksen er repræsenteret i musens hjerne. Et af de store spørgsmål inden for neurovidenskab, siger Mayford, er, hvad der skal til for at lave en repræsentation af det ydre miljø?

skjule