• Odkrycie precyzyjnego procesu molekularnego: Naukowcy zidentyfikowali, jak dwa białka, BDNF i MMP-9, współpracują ze sobą, aby wzmocnić połączenia mózgowe – proces niezbędny do uczenia się, zwany plastycznością synaptyczną.
• Wizualizacja w czasie rzeczywistym: Używając zaawansowanej mikroskopii, zespół wykazał, że MMP-9 aktywuje BDNF dokładnie tam, gdzie połączenie jest stymulowane, zapewniając wzmocnienie tylko właściwych synaps.
• Znaczenie dla zdrowia mózgu: Ten przełom pomaga wyjaśnić, jak mózg adaptuje się z wielką precyzją i może otworzyć nowe ścieżki leczenia zaburzeń związanych z zakłóconą plastycznością synaptyczną, w tym schizofrenii, depresji, uzależnień i epilepsji.

Badacze z Instytutu Nenckiego w Warszawie i Instytutu Max Plancka na Florydzie ujawnili kluczowy mechanizm tego, jak nasz mózg zmienia się, gdy uczymy się nowych informacji lub tworzymy wspomnienia. Nowe badanie opublikowane w Science Advances ujawnia mechanizm molekularny, który pozwala neuronom (głównym komórkom w mózgu) precyzyjnie wzmacniać określone połączenia – proces niezbędny do uczenia się, pamięci i ogólnego zdrowia mózgu.

Zrozumienie sposobu adaptacji połączeń mózgowych

Ludzki mózg zawiera dziesiątki miliardów neuronów, które komunikują się poprzez połączenia zwane synapsami. Te połączenia nie są stałe. Mogą stać się silniejsze lub słabsze w zależności od naszych doświadczeń – zjawisko, które naukowcy nazywają „plastycznością synaptyczną". Termin ten został wprowadzony do nauki przez polskiego badacza z Instytutu Nenckiego — Jerzego Konorskiego w 1948 roku. Ta zdolność do zmian jest fundamentalna dla tego, jak się uczymy, zapamiętujemy i adaptujemy do nowych sytuacji.

Ponieważ problemy z plastycznością synaptyczną są powiązane z poważnymi schorzeniami, takimi jak schizofrenia, depresja, uzależnienia, czy padaczka, badacze skupiają się na zrozumieniu, jak komórki mózgowe współpracują na poziomie molekularnym, aby przekształcać swoje połączenia. Do niedawna większość badań koncentrowała się jednak na tym, co dzieje się wewnątrz komórek mózgowych, ale znacznie mniej wiadomo o krytycznych procesach zachodzących w przestrzeni między komórkami.

W tym tygodniu zespół badawczy kierowany przez prof. Leszka Kaczmarka i dr. Piotra Michaluka z Instytutu Nenckiego, wraz z prof. Ryoheiem Yasudą z Instytutu Max Plancka na Florydzie, opisał, jak dwa białka oddziałują w przestrzeni między neuronami, aby wzmocnić określone połączenia.

„Wiedzieliśmy, że pewne białka są ważne dla plastyczności synaptycznej, ale nie rozumieliśmy, jak współpracują ze sobą w czasie rzeczywistym w poszczególnych połączeniach mózgowych" – powiedziała dr Diana Legutko, główna badaczka. „Ta luka w wiedzy była fundamentalną barierą w zrozumieniu, jak zdrowe mózgi faktycznie funkcjonują i co idzie nie tak w zaburzeniach neurologicznych."

Molekularne partnerstwo ujawnione

Używając zaawansowanych technik mikroskopowych, które pozwalają obserwować poszczególne połączenia komórek mózgowych w czasie rzeczywistym, zespół badawczy odkrył, że dwa kluczowe białka – BDNF (czynnik neurotroficzny pochodzący z mózgu) i MMP-9 (metaloproteaza macierzowa-9) – współpracują w precyzyjnie skoordynowanym tańcu, aby wzmocnić synapsy.

Działają w następujący sposób: Gdy połączenie mózgowe zostaje aktywowane, oba białka są szybko uwalniane przez neuron. BDNF działa jak „sygnał wzrostu", który instruuje połączenie nerwowe, aby stało się silniejsze. Jest on jednak uwalniany w nieaktywnej formie, która nie może wykonać swojego zadania. Tu wchodzi w grę MMP-9 – to białko działa jak molekularne nożyczki, przycinając BDNF do jego aktywnej formy dokładnie w określonym połączeniu, które musi zostać wzmocnione.

„Niezwykła jest precyzja tego systemu" – wyjaśnił dr Piotr Michaluk, współautor badania. „Białko MMP-9 staje się aktywne tylko dokładnie tam i wtedy, gdy jest potrzebne – w stymulowanym połączeniu – zapewniając, że tylko właściwe synapsy zostają wzmocnione."

Szerszy obraz: Od laboratorium do życia

To odkrycie pomaga w rozwikłaniu wciąż zagadkowego problemu dotyczącego tego, jak połączenia mózgowe zmieniają się z taką precyzją. Opublikowane badanie dostarcza brakującego ogniwa w naszym zrozumieniu tego, jak uczenie się i pamięć działają na poziomie molekularnym, pokazując, że plastyczność synaptyczna to nie tylko kwestia posiadania właściwych białek, ale także ich idealnej współpracy w określonym miejscu i czasie.

„To odkrycie daje nam znacznie jaśniejszy obraz tego, jak zdrowy mózg utrzymuje zdolność uczenia się i adaptacji przez całe życie" – powiedział prof. Leszek Kaczmarek. „Mamy nadzieję, że będziemy mogli użyć tych informacji, aby pomóc zrozumieć, co idzie nie tak w zaburzeniach mózgowych i skutecznie interweniować."

Jednym z wyzwań w opracowywaniu terapii celujących w plastyczność synaptyczną jest spowodowanie, że zmiany dotkną tylko te określone połączenia, które powinny zostać wzmocnione. Precyzyjna natura interakcji MMP-9/BDNF oferuje potencjalne nowe cele dla leków, które mogłyby przywrócić zdrową plastyczność mózgu w różnych zaburzeniach.

Zespół planuje zbadać, czy zakłócenia w czasie interakcji MMP-9/BDNF przyczyniają się do problemów z plastycznością w modelach określonych zaburzeń. „To, czy zakłócenia w tym mechanizmie przyczyniają się do problemów plastyczności mózgu w kontekście choroby, to ważny następny krok" – powiedział prof. Ryohei Yasuda. „Jednym z wielkich pytań jest teraz to, czy to odkrycie może prowadzić do bardziej ukierunkowanych i precyzyjnych metod leczenia."

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx2369

Badanie zostało sfinansowane przez grant MAESTRO Narodowego Centrum Nauki (Polska), Narodową Agencję Wymiany Akademickiej (Polska), Narodowe Instytuty Zdrowia (USA) i Towarzystwo Max Plancka (Niemcy). Powyższa treść jest wyłączną odpowiedzialnością autorów i niekoniecznie reprezentuje oficjalne poglądy fundatorów.