Пластичность - способность мозга изменяться в ответ на внешний вход - является критической для большинства познавательных функций, включая изучение и память. Те изменения обычно вовлекают укрепление или ослабление синапсов, связи между клетками мозга(нейронами).

Неврологи MIT теперь нашли, что единственный белок, известный как Arc, кажется, управляет способностью нейронов усиливать и ослаблять синапсы, регулируя число рецепторов медиатора на их поверхностях. Открытие может помочь исследователям идентифицировать новые цели препарата для синдрома Мартина-Белла и синдрома Ангельмана - наследственные формы задержки умственного развития, которые связаны с дефицитом Arc.

"Чем больше мы понимаем цепь клеточных событий, в которые Arc вовлечен, тем лучше мы можем идентифицировать специфические цели, где мы могли вмешаться,” говорит Мраганка Сер, начальник Отдела MIT Мозга и Когнитивистики.

Сур и Марк Бир, Профессора Picower Неврологии, являются старшими авторами отчета о работе, которая появилась в онлайновом журнале Nature Neuroscience 14 марта.

Удивительное открытие

Джейсон Шеферд, cо-ведущий автор отчета и постдокторского партнера в лаборатории Бира, начал изучать Arc еще студентом Университета Джона Хопкинса. Он и его коллеги показали, что Arc ослабляет синапсы, удаляя рецепторы для глутамата, медиатор, который стимулирует деятельность нейрона, от мембран нейрона. Они также обнаружили, что, когда ген Arc выключен у мышей, они теряют их способность сформировать долгосрочные воспоминания.

В новом исследовании, которое провели Шеферд и Кортина Маккеррай, ряд экспериментов намеревался точно определить роль Arc в визуальной коре мышей. Они начали с классической экспериментальной установки, которая заключается в закрытии одного глаза в течение двух дней, при глаз лишается визуального входа. У нормальных мышей, это усиливает синапсы на входе получения коры от открытого глаза, и ослабляет их в корковых клетках, связанных с закрытом глазом.

Шеферд и Маккеррай выполнили их эксперименты на мышах с мутацией в гене Arc, который отдает неэффективный белок. Из-за известной роли Arc в ослабившихся синапсах, они ожидали, что мыши без Arc не покажут любое синаптическое ослабление  закрытого глаза. И хотя предсказание осуществилось, но к удивлению исследователей, они нашли, что синаптическое усиление, обычно замеченное в открытом глазе также исчезло.

"Если Вы уберете ген, Вы не получите ни одного ответа,” говорит Шепэрд. "Мозг не отзывается вообще к изменениям на сенсорном входе.”

Они наблюдали ту же самую нехватку пластичности в исследованиях Несовершенных Arc мышей, которые неоднократно выставлялись тому же самому визуальному стимулу (например, горизонтальный брусок), который обычно побуждает нейроны увеличивать их ответ на тот специфический стимул.

Результаты показывают, что Arc имеет косвенную роль во вставке глутаматных рецепторов в мембране клетки, так же как ее предварительно известной роли в удалении их, согласно исследователям. "Замечателен найти, что один единственный ген и его белок так ответственный” в различных типах пластичности, говорит Сер.

В то время как другие показали в экспериментах с нейронами, что Arc, кажется, имеет роль и в подавляющих и в стимулирующих синапсах.Этот отчет является первой, чтобы демонстрировать эффект у живых животных, говорит Хей-Куонг Ли,  профессор биологии в Университете Мэриленда, которая не участвовала в исследование. "Этот отчет  ясно показывает, что Arc играет критическую роль в формировании корковых синапсов с сенсорным опытом,” говорит она.

Шеферд теперь планирует эксперименты, чтобы отобразить белок Arc в единственных ячейках в визуальной коре. Он также планирует далее исследовать роль белка в синдроме Мартина-Белла и синдроме Ангельмана.

MIT