Podobnie jak nie da się zrobić omletu bez rozbicia jajek, naukowcy z Albert Einstein College of Medicine odkryli, że nie da się stworzyć długotrwałych wspomnień bez uszkodzenia DNA i zapalenia mózgu. Ich zaskakujące odkrycia opublikowano dzisiaj w Internecie w czasopiśmie Nature.
„Zapalenie neuronów mózgowych jest zwykle uważane za coś złego, ponieważ może prowadzić do problemów neurologicznych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona” – stwierdziła kierownik badania Jelena Radulovic, lekarz medycyny, profesor na Wydziale Dominicka P. Purpury Neuroscience, profesor psychiatrii i nauk behawioralnych oraz Sylvia i Robert S. Olnick, katedra neurologii w Einstein. „Jednak nasze odkrycia sugerują, że zapalenie niektórych neuronów w obszarze hipokampa mózgu jest niezbędne do tworzenia długotrwałych wspomnień”.
Hipokamp od dawna znany jest jako ośrodek pamięci mózgu. Doktor Radulovic i jej współpracownicy odkryli, że bodziec uruchamia cykl uszkodzeń i naprawy DNA w niektórych neuronach hipokampa, który prowadzi do powstania stabilnych zespołów pamięci – skupisk komórek mózgowych reprezentujących nasze przeszłe doświadczenia. Elizabeth Wood, doktorantka studentka i Ana Cicvaric, postdoc w laboratorium Radulovic, były pierwszymi autorkami badania w Einsteinie.
Od wstrząsów do stabilnych wspomnień
Naukowcy odkryli ten mechanizm tworzenia pamięci, podając myszom krótkie, łagodne wstrząsy, wystarczające do uformowania pamięci o zdarzeniu szoku (pamięć epizodyczna). Następnie przeanalizowali neurony w obszarze hipokampa i odkryli, że aktywowano geny uczestniczące w ważnym szlaku sygnalizacji stanu zapalnego.
„Zaobserwowaliśmy silną aktywację genów zaangażowanych w szlak receptora Toll-Like 9 (TLR9)” – powiedział dr Radulovic, który jest także dyrektorem Instytutu Badań Psychiatrycznych w Montefiore Einstein (PRIME). „Ten szlak zapalny jest najbardziej znany z wywoływania odpowiedzi immunologicznej poprzez wykrywanie małych fragmentów DNA patogenu. Dlatego początkowo założyliśmy, że szlak TLR9 został aktywowany, ponieważ myszy miały infekcję. Jednak przyglądając się bliżej, ku naszemu zdziwieniu odkryliśmy, że TLR9 została aktywowana jedynie w skupiskach komórek hipokampa, które wykazały uszkodzenie DNA.”
Aktywność mózgu rutynowo powoduje małe pęknięcia w DNA, które są naprawiane w ciągu kilku minut. Jednak w tej populacji neuronów hipokampa uszkodzenia DNA okazały się bardziej znaczące i trwałe.
Wywoływanie stanu zapalnego w celu tworzenia wspomnień
Dalsza analiza wykazała, że fragmenty DNA wraz z innymi cząsteczkami powstałymi w wyniku uszkodzenia DNA zostały uwolnione z jądra, co spowodowało aktywację szlaku zapalnego TLR9 w neuronach; szlak ten z kolei stymulował tworzenie kompleksów naprawczych DNA w nietypowym miejscu: centrosomach. Organelle te są obecne w cytoplazmie większości komórek zwierzęcych i są niezbędne do koordynowania podziału komórek. Jednak w neuronach, które się nie dzielą, pobudzone centrosomy uczestniczyły w cyklach naprawy DNA, które, jak się wydawało, organizowały poszczególne neurony w zespoły pamięci.
„Podział komórek i odpowiedź immunologiczna u zwierząt były w dużym stopniu zachowane przez miliony lat, umożliwiając kontynuację życia, zapewniając jednocześnie ochronę przed obcymi patogenami” – stwierdziła dr Radulovic. „Wydaje się prawdopodobne, że w toku ewolucji neurony hipokampa przyjęły ten mechanizm pamięci oparty na odporności, łącząc szlak TLR9 wykrywający DNA w odpowiedzi immunologicznej z funkcją centrosomu naprawy DNA, aby tworzyć wspomnienia bez postępu do podziału komórki”.
Opieranie się wprowadzaniu obcych informacji
Stwierdzono, że w ciągu tygodnia potrzebnego do zakończenia procesu zapalnego neurony kodujące pamięć myszy zmieniły się na różne sposoby, w tym stały się bardziej odporne na nowe lub podobne bodźce środowiskowe. „Jest to godne uwagi” – stwierdziła dr Radulovic – „ponieważ jesteśmy nieustannie zalewani informacjami, a neurony kodujące wspomnienia muszą zachować informacje, które już zdobyły, i nie dać się „rozproszyć” nowym bodźcom”.
Co ważne, naukowcy odkryli, że blokowanie szlaku zapalnego TLR9 w neuronach hipokampu nie tylko uniemożliwiało myszom tworzenie wspomnień długotrwałych, ale także powodowało głęboką niestabilność genomu, tj. wysoką częstotliwość uszkodzeń DNA w tych neuronach.
„Niestabilność genomowa jest uważana za cechę charakterystyczną przyspieszonego starzenia się, a także raka oraz zaburzeń psychicznych i neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera” – stwierdził dr Radulovic. „Zaproponowano leki hamujące szlak TLR9 w celu łagodzenia objawów długiego Covid-19. Należy jednak zachować ostrożność, ponieważ całkowite zahamowanie szlaku TLR9 może stwarzać poważne ryzyko dla zdrowia”.
Badanie nosi tytuł „Tworzenie zespołów pamięci poprzez szlak TLR9 wykrywający DNA”. Inni autorzy Einsteina to: dr Hui Zhang, doktor Zorica Petrovic, doktor Anna Carboncino, licencjat Kendra K. Parker, dr Thomas E. Bassett, MS Xusheng Zhang. Pozostali autorzy są: współpierwszy autor, doktor Vladimir Jovasevic z Northwestern University w Chicago, IL; dr Maria Moltesen, dr Naoki Yamawaki, dr Hande Login, dr Joanna Kalucka, wszyscy na Uniwersytecie w Aarhus w Aarhus, Dania; Farahnaz Sananbenesi i dr Andre Fischer w Uniwersyteckim Centrum Medycznym w Getyndze, Niemcy.