iScience: Ученые впервые объяснили механизм потери памяти после инсульта

Когда мы узнаем что-то новое, клетки нашего мозга — нейроны — общаются друг с другом с помощью электрических и химических сигналов. Если одна и та же группа нейронов часто общается друг с другом, связи между ними становятся сильнее. Этот процесс помогает нашему мозгу учиться и запоминать информацию и известен как долговременная потенциация или LTP.

Другой тип LTP возникает, когда мозг временно лишается кислорода — аноксия-индуцированная долговременная потенциация или aLTP. aLTP блокирует первый процесс, тем самым ухудшая обучение и память. Поэтому некоторые ученые считают, что aLTP может быть причастна к проблемам с памятью, возникающим при таких заболеваниях, как инсульт.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) и их коллеги детально изучили процесс aLTP. Они обнаружили, что для поддержания aLTP требуется аминокислота глутамат, которая запускает выработку оксида азота (NO) как в нейронах, так и в кровеносных сосудах мозга. Этот процесс формирует положительную петлю обратной связи глутамат-NO-глутамат. Исследование, опубликованное в журнале iScience, показывает, что постоянное присутствие aLTP потенциально может препятствовать процессам укрепления памяти в мозге и объясняет потерю памяти, наблюдаемую у некоторых пациентов после инсульта.

Реакция мозга на нехватку кислорода

При нехватке кислорода в мозге из нейронов в больших количествах выделяется нейромедиатор глутамат. Повышенный уровень глутамата вызывает выработку оксида азота NO. Оксид азота, вырабатываемый в нейронах и кровеносных сосудах мозга, усиливает высвобождение глутамата из нейронов во время aLTP. Этот цикл глутамат-NO-глутамат продолжается даже после того, как мозг получает достаточное количество кислорода.

Мы хотели узнать, как кислородное голодание влияет на мозг и как происходят эти изменения, — заявил доктор Хань-Ин Ванг, научный сотрудник бывшего отдела клеточных и молекулярных синаптических функций в OIST и ведущий автор исследования.

Известно, что оксид азота участвует в высвобождении глутамата в мозге при нехватке кислорода, но механизм был неясен.

Во время инсульта, когда мозг лишается кислорода, одним из симптомов может быть амнезия — потеря недавних воспоминаний. Изучение влияния кислородной недостаточности на мозг важно из-за потенциальной пользы для медицины.

Если мы сможем выяснить, что происходит с нейронами, когда им не хватает кислорода, это может подсказать, как лечить пациентов с инсультом, — пояснил доктор Патрик Стоуни, ученый из отдела сенсорной и поведенческой нейронауки OIST и бывший сотрудник отдела клеточных и молекулярных синаптических функций.

Ткани мозга мышей поместили в физиологический раствор, имитирующий естественную среду живого мозга. Обычно этот раствор насыщают кислородом, чтобы удовлетворить высокие потребности тканей мозга в кислороде. Однако замена его азотом позволила исследователям лишить клетки кислорода на определенное время.

Затем ткани рассматривали под микроскопом, и на них накладывались электроды для регистрации электрической активности отдельных клеток. Клетки стимулировались таким образом, чтобы имитировать их работу в живых мышах.

Блокирование активности памяти и обучения

Ученые обнаружили, что для поддержания aLTP требуется выработка NO как в нейронах, так и в кровеносных сосудах мозга. Сотрудничающие с ними ученые из отдела оптической нейровизуализации OIST показали, что помимо нейронов и кровеносных сосудов для поддержания aLTP необходима активность астроцитов, еще одного типа клеток мозга. Астроциты соединяют и поддерживают связь между нейронами и кровеносными сосудами.

Длительное поддержание aLTP требует непрерывного синтеза оксида азота. Синтез NO является самоподдерживающимся, поддерживаемым NO-глутаматной петлей, но блокирование молекулярных этапов синтеза NO или тех, которые запускают высвобождение глутамата, в конечном итоге нарушает эту петлю и останавливает aLTP, — объясняет профессор Томоюки Такахаси, руководитель бывшего отдела клеточных и молекулярных синаптических функций в OIST.

Примечательно, что клеточные процессы, поддерживающие aLTP, являются общими с процессами, участвующими в укреплении памяти и обучении (LTP). Обычно aLTP блокрует молекулярную деятельность, необходимую для LTP, и устранение aLTP может восстановить эти механизмы укрепления памяти. Это позволяет предположить, что длительное действие aLTP может препятствовать формированию памяти, что, возможно, объясняет, почему у некоторых пациентов наблюдается потеря памяти после короткого инсульта.

Профессор Такахаши подчеркнул, что образование петли положительной обратной связи между глутаматом и NO, когда мозг временно лишается кислорода, является важным открытием. Оно объясняет длительную работу aLTP и может предложить решение проблемы потери памяти, вызванной недостатком кислорода.

07.06.2024