Учёные обнаружили роль митохондрий в формировании памяти

Нейробиологи из Виргинского технологического университета (Virginia Tech) выявили митохондриальный процесс, поддерживающий нейроны, которые критически важны для обучения, памяти и социального распознавания. Под руководством Шеннон Фаррис, ассистента профессора Института биомедицинских исследований Фралина при VTC, исследование, проведённое на мышах, изучает область гиппокампа CA2, специализированную зону в центре памяти мозга, которая необходима для формирования памяти о социальном распознавании.

Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Scientific Reports, раскрывает критическую роль митохондриального кальциевого унипортера (MCU) — белка, регулирующего поток кальция в митохондрии, — в укреплении нейронных связей. Этот процесс, известный как синаптическая пластичность, является основополагающим для когнитивных функций и адаптивного обучения. «Наши результаты подчёркивают уникальный митохондриальный механизм, который помогает объяснить, как функционируют нейроны CA2, что может способствовать их роли в социальной когнитивности и их уязвимости при некоторых неврологических расстройствах», — сказала Фаррис.

Уникальная роль области CA2 в социальной памяти

Область гиппокампа CA2 — небольшая, но критически важная для социального распознавания — способности запоминать и различать людей. В отличие от соседних областей гиппокампа, нейроны CA2 сопротивляются определённым формам синаптической пластичности, что порождает интересные вопросы о их специализированной функции. Фаррис и её команда обнаружили, что митохондрии в нейронах CA2 не одинаковы. Напротив, их структура и функции варьируются в зависимости от их расположения в нейроне. Митохондрии, находящиеся на самых дальних участках дендритов нейронов — на внешних синаптических соединениях — высокоспециализированы и сильно зависят от MCU для контроля своей активности. Для исследования этого учёные удалили ген MCU в нейронах CA2 генетически модифицированных мышей.

Это вызвало нарушение пластичности на самых дальних синапсах, в то время как синапсы, расположенные ближе к телу клетки, не пострадали. «Это говорит о том, что митохондриальное разнообразие — это не просто биологическая особенность», — отметила Фаррис. «Это фундаментальная черта, которая позволяет различным частям одного и того же нейрона функционировать по-разному». Потенциальные последствия для болезни Альцгеймера и расстройств аутистического спектра Митохондриальная дисфункция всё чаще признаётся одним из основных факторов, способствующих неврологическим расстройствам, таким как болезнь Альцгеймера, аутизм, шизофрения и депрессия. Синапсы требуют большого количества энергии, чтобы оставаться связанными и обрабатывать информацию. Когда митохондрии работают неправильно, это может нарушить функциональную способность этих каналов клеточной коммуникации, что ведёт к проблемам с мышлением и памятью. Известно, что самые дальние синапсы оказываются одними из первых, которые страдают при болезни Альцгеймера.

Полученные результаты предполагают, что функция MCU в нейронах CA2 может способствовать этому начальному ослаблению, что может дать полезные сведения о том, почему эта цепь особенно уязвима для нейродегенерации. «Понимание того, почему митохондрии в нейронах CA2 отличаются, и как они выходят из строя, может помочь нам разработать методы терапии для защиты или восстановления функций в конкретных областях мозга», — сказала Фаррис. Помимо болезни Альцгеймера, исследование поднимает более широкие вопросы о том, как митохондриальное разнообразие может влиять на другие неврологические расстройства. Способность нейронов точно настраивать свойства митохондрий может стать ключевым фактором для понимания аутизма, где дисфункция CA2 может быть связана с известными социальными дефицитами, характерными для этого спектра.

Расшифровка митохондриальной функции в нейронных цепях

Это исследование способствует лучшему пониманию митохондриальной биологии и преодолевает технические препятствия в изучении митохондрий в плотных и разнообразных тканях мозга, отмечают учёные. Используя электронную микроскопию и искусственный интеллект для объективного выявления только митохондрий в дендритах, расположенных в плотно упакованном синаптическом слое, команда Фаррис нанесла карту структуры митохондрий в дендритах нейронов CA2 с высокой пространственной разрешающей способностью на миллиметровых участках ткани. Анализ показал, что митохондрии с дефицитом MCU были меньше и более фрагментированы, что является структурным сдвигом, который может лежать в основе их неспособности поддерживать синаптическую функцию. В более широком контексте исследование ставит под сомнение давно существовавшее предположение, что митохондрии работают одинаково во всех частях нейрона.

Вместо этого нейроны могут активно изменять свойства митохондрий для оптимизации функции на отдельных синапсах, что может изменить наше понимание регулирования энергии в нейронах и пластичности. «Эти результаты ставят под сомнение давно существовавшее предположение, что митохондрии функционируют одинаково в дендритах», — сказала Кэти Паннони, старший научный сотрудник лаборатории Фаррис и первый автор исследования. «Вместо этого наша работа предполагает, что митохондрии сильно специализированы для поддержки различных потребностей разных нейронных цепей». Применяя искусственный интеллект для анализа больших массивов данных электронной микроскопии, команда исследователей количественно оценила структуру и распределение митохондрий в цепях на масштабе, который невозможно было бы достичь традиционными методами. Этот новый подход позволит будущим исследованиям более точно и глубоко изучать митохондриальную функцию.

Будущее митохондриальных исследований

Это открытие открывает новые пути для возможных терапевтических стратегий, особенно для неврологических расстройств, связанных с дефицитом энергии, ослабляющим связи мозга. Раскрывая, как митохондрии поддерживают нейрональную пластичность, исследование Фаррис закладывает основу для стратегий сохранения мозговой функции и замедления нейродегенерации. Далее её команда будет исследовать, как митохондрии в нейронах CA2 развивают свои специализированные свойства и существуют ли подобные адаптации в других областях мозга. Также они намерены изучать терапевтические стратегии, которые могут укрепить здоровье митохондрий и защитить нейроны от заболеваний. «Чем больше мы понимаем о митохондриальном разнообразии, тем ближе мы подходим к разгадке того, как мозг учится, запоминает и адаптируется, а также как мы можем сохранить его здоровье», — сказала Фаррис.

• Ученые нашли связь между артритом и раком простаты
• Угандийские власти готовятся начать испытания вакцины от Эболы
• Связь между микробиомом кишечника, воспалением и депрессией
• Иммунные клетки крови могут стать ключом к определению прогрессирования болезни Паркинсона
• Тело Бальбьяни: Раскрытие секрета эмбриональных начал
• Как химические реакции истощают питательные вещества в растительных напитках
• Двухразовая инъекция снижает риск ВИЧ на 96%
• Будущее контрацепции: на что надеяться в ближайшие годы