Miliony cichych synaps w mózgach osobników dorosłych

Plastyczność synaptyczna, będąca jednym z fundamentalnych mechanizmów plastyczności neuronalnej ogólnie, opiera się na modyfikacji siły połączeń między neuronami oraz na tworzeniu zupełnie nowych synaps lub eliminacji istniejących. W przypadku dojrzałego mózgu ssaków, plastyczność manifestuje się głównie poprzez zmianę skali siły istniejących połączeń synaptycznych. Sztuczne sieci neuronowe z synapsami skalarnymi nie są w stanie osiągnąć takiego poziomu wydajności jak u ludzi dorosłych czy innych ssaków, które wykazują zdolność do przechowywania i wykorzystywania nowych informacji. Istnieje zatem uzasadnione podejrzenie, że współczesne modele plastyczności u dorosłych mogą pomijać kluczowe zasady biologiczne i/lub mechanizmy. Tak zwane synapsy milczące występują powszechnie w korze rozwijającej się i uczestniczą w tworzeniu elastycznej macierzy połączeń. Dotychczas stosowane metody badawcze wskazywały, że synapsy milczące w korze osobników dorosłych są nieliczne. Autorzy omawianej pracy zakwestionowali tę tezę i wykazali, że synapsy milczące nadal są obecne w dojrzałych mózgach, gdzie przyczyniają się do plastyczności neuronalnej i procesów uczenia się.

Nowo wytworzone synapsy pobudzające w korze mózgowej ssaków nie posiadają wystarczającej liczby receptorów glutaminianowych typu AMPA, aby pośredniczyć w neurotransmisji, co skutkuje synapsami funkcjonalnie milczącymi, które, aby dojrzeć, wymagają mechanizmów plastyczności zależnych od aktywności. Synapsy milczące powszechnie występują we wczesnym etapie rozwoju, kiedy pośredniczą w formowaniu i udoskonalaniu połączeń w obwodach. Badacze wykorzystali obrazowanie białek synaptycznych w superrozdzielczości do wizualizacji 2234 synaps z warstwy 5 neuronów piramidowych w głównej korze wzrokowej dorosłej myszy. Nieoczekiwanie około 25% z tych synaps nie posiadało receptorów AMPA. Te domniemane synapsy milczące znajdowały się na końcach cienkich wypustek dendrytycznych, znanych jako filopodia, które były o rząd wielkości liczniejsze niż dotychczas uważano (stanowiąc około 30% wszystkich wypustek dendrytycznych). Eksperymenty fizjologiczne wykazały, że filopodia rzeczywiście nie posiadają przewodzenia zależnego od receptorów AMPA, ale wykazują przewodzenie synaptyczne zależne od receptorów NMDA. Badacze wykazali dalej, że synapsy funkcyjnie milczące na filopodiach mogą zostać uaktywnione (poprzez plastyczność Hebba) i włączone do aktywnej macierzy neuronalnej. Wyniki te kwestionują model, że funkcjonalna łączność jest w dużym stopniu stała w korze mózgowej u dorosłych i dowodzą nowego mechanizmu elastycznego sterowania połączeniami synaptycznymi, który rozszerza zdolności uczenia się dojrzałego mózgu. Wykorzystanie nowych synaps sprawia, że stare, czyli wcześniejsze ślady pamięciowe, nie ulegają nadpisaniu. Co więcej, eksperyment wykazał, że „ciche” synapsy mają inny próg plastyczności w porównaniu z synapsami niemymi, co jest zgodne z teoretycznymi modelami elastycznej i trwałej pamięci. W szczególności, tworzenie śladów pamięciowych wymaga równowagi między elastycznością i stabilnością: elastyczność umożliwia nabywanie pamięci, a stabilność zapewnia jej utrzymanie. Nie wiadomo, czy procesy rządzące stabilnością i elastycznością działają na poziomie synaptycznym. Wypustki dendrytyczne w postaci filopodiów i kolców obejmują kontinuum morfologii i pozostaje do zbadania, czy to kontinuum morfologii odzwierciedla stany synaptyczne, wzdłuż których zmieniają się zarówno siła synaptyczna, jak i progi plastyczności. Badacze potwierdzili zatem, że dojrzałe synapsy na kolcach trwale przechowują nabyte informacje, a „ciche” synapsy na filopodiach pośredniczą w szybkim nabywaniu nowych informacji.

Źródło: Vardalaki, D., Chung, K., Harnett, M.T. Filopodia are a structural substrate for silent synapses in adult neocortex. Nature 2022; 612(7939), 323–327.