Μηχανισμός που ελέγχει τη νευρωνική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια της μάθησης
Η διαδικασία της μάθησης και της μνήμης βασίζεται σε αλλαγές στις νευρωνικές συνδέσεις του εγκεφάλου, οι οποίες επηρεάζουν τη μετάδοση σημάτων μεταξύ των νευρώνων. Για πρώτη φορά, ερευνητές από το DZNE παρατήρησαν ένα σχετικό φαινόμενο σε ζωντανούς εγκεφάλους, συγκεκριμένα σε ποντίκια. Ο μηχανισμός αυτός αφορά τον κυτταρικό παλμογεννήτορα για τα νευρωνικά σήματα, γνωστό ως “αρχικό τμήμα του αξόνου”, και είχε προηγουμένως καταγραφεί μόνο σε καλλιέργειες κυττάρων και δείγματα εγκεφάλου. Η ομάδα υπό την ηγεσία του νευροεπιστήμονα Jan Gründemann δημοσιεύει τα ευρήματά της στο περιοδικό “Nature Neuroscience”, σε συνεργασία με ειδικούς από την Ελβετία, την Ιταλία και την Αυστρία. Η μελέτη αυτή ρίχνει φως στην ικανότητα του εγκεφάλου να προσαρμόζεται. Στο μέλλον, οι ερευνητές σκοπεύουν να εξετάσουν τη σημασία αυτών των ευρημάτων για τη νόσο του Alzheimer.
Η νευρωνική πλαστικότητα και η προσαρμοστικότητα του εγκεφάλου
Στον εγκέφαλο, οι νευρώνες διακλαδώνονται και συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα δίκτυο, μέσω του οποίου ανταλλάσσονται ενεργά ηλεκτρικά σήματα. Αυτή η δομή του δικτύου είναι ένα θεμελιώδες στοιχείο του “υλικού” του εγκεφάλου και είναι κρίσιμη για τη λειτουργία του, ειδικά όσον αφορά τις διαδικασίες μάθησης και τη δημιουργία μνήμης. Ωστόσο, αυτή η πολύπλοκη αρχιτεκτονική και η μετάδοση σημάτων σε αυτό το δίκτυο δεν είναι σταθερές. Μπορούν να αλλάξουν ως αποτέλεσμα εμπειριών και γεγονότων. Αυτή η ευελιξία, γνωστή και ως “νευροπλαστικότητα”, είναι η βάση για την ικανότητα του εγκεφάλου να προσαρμόζεται.
Η παρατήρηση των νευρωνικών αλλαγών σε ζωντανούς οργανισμούς
Η νευρωνική πλαστικότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ικανότητα προσαρμογής της δύναμης των συνδέσεων και της μετάδοσης σημάτων μεταξύ των νευρώνων. Αν θεωρήσουμε αυτούς τους κυτταρικούς σταθμούς ως σταθμούς αναμετάδοσης, η “δύναμη σύνδεσης” τους καθορίζει πόσο αποτελεσματικά μεταδίδονται τα σήματα από το ένα κύτταρο στο άλλο και πόσο καλά διαδίδονται μέσα στο νευρωνικό δίκτυο. Ο Jan Gründemann, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο DZNE και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, και οι συνεργάτες του, κατάφεραν να παρατηρήσουν πώς το τμήμα που παράγει το ηλεκτρικό σήμα αλλάζει. Οι περισσότεροι νευρώνες διαθέτουν ένα τέτοιο “αρχικό τμήμα του αξόνου”, το οποίο χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή πυκνότητα συγκεκριμένων ιοντικών καναλιών. “Το αρχικό τμήμα του αξόνου καθορίζει αν θα παραχθεί ή όχι ένα νευρικό παλμό”, αναφέρει ο νευροεπιστήμονας. “Χάρη σε εξειδικευμένες μεθόδους μικροσκοπίας, δύο μέλη της ομάδας μας, η Chloé Benoit και ο Dan Ganea, μπόρεσαν να παρακολουθήσουν το μέγεθος αυτών των τμημάτων στον ζωντανό εγκέφαλο κατά τη διάρκεια της μάθησης – κάτι που είναι πρωτοποριακό. Μέχρι τώρα, τα αρχικά τμήματα του αξόνου μετρήθηκαν κυρίως σε καλλιέργειες κυττάρων ή δείγματα ιστού. Τώρα, τα παρακολουθήσαμε στον εγκέφαλο για αρκετές ημέρες στο πλαίσιο της μάθησης.
Συμπεράσματα και επόμενα βήματα
Τα ευρήματα βασίζονται σε μελέτες σε ποντίκια: Σε ένα πειραματικό σενάριο, τα ζώα έμαθαν να αντιδρούν σε διαφορετικές καταστάσεις, έτσι ώστε να μαθαίνουν από τις εμπειρίες και τις μνήμες τους και να προσαρμόζουν ανάλογα τη συμπεριφορά τους. Οι ερευνητές παρατήρησαν μεμονωμένους νευρώνες σε ζωντανούς οργανισμούς πριν και μετά τις εκπαιδευτικές συνεδρίες. Κατάφεραν να εντοπίσουν επανειλημμένα συγκεκριμένα νευρικά κύτταρα και τα αρχικά τμήματα του αξόνου τους, καταγράφοντας έτσι τις αλλαγές με την πάροδο του χρόνου. Ειδικότερα, εξέτασαν μια περιοχή του εγκεφαλικού φλοιού που είναι γνωστό ότι εμπλέκεται στις διαδικασίες μάθησης. “Διαπιστώσαμε ότι τα αρχικά τμήματα του αξόνου των παρατηρούμενων νευρώνων άλλαξαν μήκος; έγιναν πιο μακριά ή συρρικνώθηκαν”, εξηγεί ο Gründemann. “Το μήκος του αρχικού τμήματος του αξόνου καθορίζει την διεγερσιμότητα ενός νευρώνα. Τα κύτταρα με ένα μακρύ αρχικό τμήμα παράγουν ισχυρότερους παλμούς από εκείνα με ένα κοντό τμήμα. Αυτός ο μηχανισμός μπορεί επομένως να ρυθμίζει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου. Δεν γνωρίζουμε ακόμη γιατί ορισμένα τμήματα έγιναν πιο μακριά και άλλα πιο κοντά. Αυτό είναι προφανώς ένα κρίσιμο εργαλείο ελέγχου για την βέλτιστη προσαρμογή της νευρωνικής δραστηριότητας.
Το αρχικό τμήμα του αξόνου είναι μέρος του “αξόνα” – μιας ινώδους προέκτασης των νευρώνων που μεταδίδει ηλεκτρικούς παλμούς σε άλλα κύτταρα. Στο τέλος, ο άξονας διακλαδίζεται πολλές φορές, επιτρέποντας σε έναν μόνο νευρώνα να επικοινωνεί με πολλά άλλα κύτταρα. Αυτά τα σημεία επαφής – γνωστά ως “συνάψεις” – είναι επίσης γνωστό ότι αλλάζουν κατά τη διάρκεια της δημιουργίας μνήμης, επηρεάζοντας έτσι τη μετάδοση των νευρωνικών σημάτων.
