Gdy ludzie się starzeją, ich pamięć robocza często spada, co utrudnia wykonywanie codziennych zadań. Jednym z kluczowych obszarów mózgu powiązanych z tym typem pamięci jest przedni wzgórze, które jest głównie zaangażowane w pamięć przestrzenną – pamięć o naszym otoczeniu i sposobie poruszania się po nim.
W badaniu na myszach naukowcy z MIT zidentyfikowali obwód w przednim wzgórzu, który jest niezbędny do zapamiętania, jak poruszać się po labiryncie. Naukowcy odkryli również, że obwód ten jest osłabiony u starszych myszy, ale zwiększenie jego aktywności znacznie poprawia ich zdolność do prawidłowego prowadzenia labiryntu.
Naukowcy twierdzą, że region ten może stanowić obiecujący cel terapii, które mogą pomóc w odwróceniu utraty pamięci u osób starszych, bez wpływu na inne części mózgu.
„Dzięki zrozumieniu, w jaki sposób wzgórze kontroluje produkcję korową, mamy nadzieję, że uda nam się znaleźć bardziej szczegółowe i dające się zastosować leki cele w tym obszarze, zamiast ogólnie modulować korę przedczołową, która pełni wiele różnych funkcji” – mówi Guoping Feng, James W. i Patricia T. Poitras profesor nauk o mózgu i kognitywistyce na MIT, członek Broad Institute of Harvard i MIT oraz zastępca dyrektora McGovern Institute for Brain Research na MIT.
Feng jest starszym autorem badania, które pojawia się dzisiaj w Proceedings of the National Academy of Sciences. Głównymi autorami artykułu są Dheeraj Roy, laureat NIH K99 i McGovern Fellow w Broad Institute oraz Ying Zhang, J. Douglas Tan Postdoctoral Fellow w McGovern Institute.
Pamięć przestrzenna
Wzgórze, niewielka struktura zlokalizowana w pobliżu centrum mózgu, wspomaga pamięć roboczą i wiele innych funkcji wykonawczych, takich jak planowanie i uwaga. Laboratorium Fenga badało ostatnio region wzgórza znany jako wzgórze przednie, który odgrywa ważną rolę w pamięci i nawigacji przestrzennej.
Wcześniejsze badania na myszach wykazały, że uszkodzenie przedniego wzgórza prowadzi do upośledzenia przestrzennej pamięci roboczej. U ludzi badania wykazały związany z wiekiem spadek aktywności przedniego wzgórza, który jest skorelowany z niższą wydajnością w zadaniach pamięci przestrzennej.
Wzgórze przednie dzieli się na trzy sekcje: brzuszną, grzbietową i przyśrodkową. W badaniu opublikowanym w zeszłym roku Feng, Roy i Zhang badali rolę wzgórza przednio-grzbietowego (AD) i przednio-brzusznego (AV) w tworzeniu pamięci. Odkryli, że wzgórze AD bierze udział w tworzeniu mentalnych map przestrzeni fizycznych, podczas gdy wzgórze AV pomaga mózgowi odróżnić te wspomnienia od innych wspomnień z podobnych przestrzeni.
W swoim nowym badaniu naukowcy chcieli dokładniej przyjrzeć się wzgórzu AV, badając jego rolę w zadaniu przestrzennej pamięci roboczej. Aby to zrobić, wyszkolili myszy, aby biegały w prostym labiryncie w kształcie litery T. Na początku każdej próby myszy biegały, aż dotarły do T. Jedna ręka została zablokowana, zmuszając je do schodzenia po drugiej ręce. Następnie myszy ponownie umieszczono w labiryncie z otwartymi rękoma. Myszy były nagradzane, jeśli wybrały przeciwne ramię z pierwszego biegu. Oznaczało to, że aby podjąć właściwą decyzję, musieli pamiętać, w którą stronę skręcili w poprzednim biegu.
Gdy myszy wykonywały zadanie, naukowcy wykorzystali optogenetykę do hamowania aktywności neuronów AV lub AD podczas trzech różnych części zadania: fazy próbki, która ma miejsce podczas pierwszego uruchomienia; faza opóźnienia, gdy czekają na rozpoczęcie drugiego biegu; i faza wyboru, kiedy myszy podejmują decyzję, w którą stronę skręcić podczas drugiego biegu.
Naukowcy odkryli, że hamowanie neuronów AV podczas fazy próbkowania lub wyboru nie miało wpływu na wydajność myszy, ale kiedy tłumiły aktywność AV podczas fazy opóźnienia, która trwała 10 sekund lub dłużej, myszy radziły sobie znacznie gorzej w zadaniu.
Sugeruje to, że neurony AV są najważniejsze dla zapamiętywania informacji, gdy są one potrzebne do wykonania zadania. W przeciwieństwie do tego, hamowanie neuronów AD zaburzało wydajność podczas fazy próbkowania, ale miało niewielki wpływ na fazę opóźnienia. To odkrycie było zgodne z wcześniejszymi badaniami zespołu badawczego, które wykazały, że neurony AD biorą udział w tworzeniu wspomnień przestrzeni fizycznej.
„Przednie wzgórze ogólnie jest obszarem uczenia się przestrzennego, ale neurony brzuszne wydają się być potrzebne w tym okresie podtrzymującym, podczas tego krótkiego opóźnienia” – mówi Roy. „Teraz mamy dwa podpodziały w przednim wzgórzu: jeden, który wydaje się pomagać w uczeniu się kontekstowym, a drugi, który faktycznie pomaga w przechowywaniu tych informacji”.
Spadek związany z wiekiem
Następnie naukowcy przetestowali wpływ wieku na ten obwód. Odkryli, że starsze myszy (14 miesięcy) radziły sobie gorzej w zadaniu labiryntu T, a ich neurony AV były mniej pobudliwe. Jednak gdy naukowcy sztucznie stymulowali te neurony, wydajność myszy w tym zadaniu znacznie się poprawiła.
Innym sposobem na zwiększenie wydajności w tym zadaniu pamięciowym jest stymulacja kory przedczołowej, która również ulega osłabieniu związanemu z wiekiem. Jednak aktywacja kory przedczołowej zwiększa również wskaźniki lęku u myszy, odkryli naukowcy.
„Jeśli bezpośrednio aktywujemy neurony w przyśrodkowej korze przedczołowej, wywoła to również zachowania związane z lękiem, ale nie nastąpi to podczas aktywacji AV” – mówi Zhang. „To zaleta aktywacji AV w porównaniu z korą przedczołową”.
Naukowcy twierdzą, że gdyby można było zastosować nieinwazyjną lub minimalnie inwazyjną technologię do stymulacji tych neuronów w ludzkim mózgu, mogłaby ona pomóc w zapobieganiu związanemu z wiekiem spadkowi pamięci. Obecnie planują przeprowadzić sekwencjonowanie jednokomórkowego RNA neuronów przedniego wzgórza, aby znaleźć sygnatury genetyczne, które można by wykorzystać do identyfikacji komórek, które byłyby najlepszymi celami.
Badania zostały częściowo sfinansowane przez Stanley Center for Psychiatric Research w Broad Institute, Hock E. Tan i K. Lisa Yang Center for Autism Research w MIT oraz James and Patricia Poitras Center for Psychiatric Disorders Research w MIT .