Përmbledhje: Studiuesit zbuluan një mekanizëm të ri në tru që përmirëson formimin e kujtesës duke reduktuar konsumin e energjisë gjatë gjumit. Studimi zbulon se ky proces ndodh në korteksin entorhinal, një zonë kyçe për të mësuarit dhe kujtesën dhe vendi fillestar i patologjisë së sëmundjes Alzheimer.
Studiuesit përdorën një ‘mikroskop matematikor’ të ri për të modeluar se si kujtimet janë konsoliduar në këtë rajon me kosto minimale metabolike. Ky zbulim mund të çojë në një kuptim më të mirë dhe diagnostifikim të mundshëm për Alzheimer-in dhe demencët e lidhura me to.
Faktet kryesore:
- Qasje novatore të modelimit: Studiuesit zhvilluan një model matematikor që thjeshton ndërveprimet komplekse në tru në vetëm dy variabla, duke e bërë studimin e formimit të kujtesës më të detajuar.
- Përpunimi i memories me efikasitet energjetik: Studimi identifikon një mekanizëm me anë të të cilit truri mund të ruajë gjendjet e kujtesës me më pak energji, një zbulim që bie ndesh me koston e lartë të energjisë që zakonisht lidhet me proceset aktive të kujtesës.
- Mundësia për diagnozë të hershme: Të kuptuarit e përpunimit të kujtesës në korteksin entorhinal mund të sigurojë të dhëna të hershme diagnostikuese për sëmundjen e Alzheimerit dhe forma të tjera të demencës.
Burimi: UCLA
Studiuesit e UCLA Health kanë zbuluar një mekanizëm që krijon kujtime duke reduktuar koston metabolike, edhe gjatë gjumit. Kjo memorie efikase ndodh në një pjesë të trurit që është vendimtare për të mësuarit dhe kujtesën, dhe ku fillon sëmundja e Alzheimerit.
Zbulimi është publikuar në revistë Nature Communications.
A ju duket e njohur kjo: Shkoni në kuzhinë për të marrë diçka, por kur arrini atje, harroni atë që dëshironit. Kjo është memoria juaj e punës që dështon. Kujtesa e punës përkufizohet si kujtimi i disa informacioneve për një periudhë të shkurtër ndërsa ju vazhdoni të bëni gjëra të tjera.
Ne përdorim kujtesën e punës pothuajse gjatë gjithë kohës. Pacientët me Alzheimer dhe demencë kanë deficite të memories së punës dhe gjithashtu shfaqet në dëmtim të butë njohës (MCI). Prandaj, përpjekje të konsiderueshme janë kushtuar për të kuptuar mekanizmat me të cilët rrjetet e gjera të neuroneve në tru krijojnë kujtesën e punës.
Gjatë detyrave të memories së punës, shtresa më e jashtme e trurit, e njohur si neokorteksi, dërgon informacion ndijor në rajonet më të thella të trurit, duke përfshirë një rajon qendror të quajtur korteksi entorhinal, i cili është vendimtar për formimin e kujtimeve.
Neuronet në korteksin entorhinal tregojnë një grup kompleks përgjigjesh, të cilat i kanë habitur shkencëtarët për një kohë të gjatë dhe kanë rezultuar në Çmimin Nobel të Mjekësisë 2014, megjithatë mekanizmat që rregullojnë këtë kompleksitet nuk dihen. Korteksi entorhinal është vendi ku fillon të formohet sëmundja e Alzheimerit.
“Prandaj është kritike të kuptojmë se çfarë lloj magjie ndodh në rrjetin kortiko-entorhinal, kur neokorteksi i flet korteksit entorhinal i cili e kthen atë në kujtesë pune.
“Ai mund të sigurojë një diagnostikim të hershëm të sëmundjes së Alzheimerit dhe çmendurisë së lidhur, dhe dëmtimit të butë njohës,” tha autori korrespondues Mayank Mehta, një neurofizikan dhe kreu i Qendrës WM Keck për Neurofizikën dhe Qendrës për Fizikën e Jetës në UCLA.
Për të zgjidhur këtë problem, Mehta dhe bashkautorët e tij krijuan një qasje të re: një “mikroskop matematikor”.
Në botën e fizikës, modelet matematikore përdoren zakonisht, nga Kepleri te Njutoni dhe Ajnshtajni, për të zbuluar gjëra të mahnitshme që kurrë nuk i kemi parë dhe as i kemi imagjinuar, të tilla si funksionimi i brendshëm i grimcave nënatomike dhe brendësia e një vrime të zezë.
Modelet matematikore përdoren gjithashtu në shkencat e trurit, por parashikimet e tyre nuk merren aq seriozisht sa në fizikë. Arsyeja është se në fizikë, parashikimet e teorive matematikore testohen në mënyrë sasiore, jo vetëm cilësore.
Teste të tilla eksperimentale sasiore të sakta të teorive matematikore zakonisht besohet se janë të pamundura në biologji, sepse truri është shumë më kompleks se bota fizike.
Teoritë matematikore në fizikë janë shumë të thjeshta, duke përfshirë shumë pak parametra të lirë dhe rrjedhimisht teste të sakta eksperimentale. Në të kundërt, truri ka miliarda neurone dhe triliona lidhje, një makth matematikor, e lëre më një mikroskop shumë preciz.
“Për të trajtuar këtë sfidë në dukje të pamundur të hartimit të një teorie të thjeshtë që ende mund të shpjegojë eksperimentimin e të dhënave të dinamikës së kujtesës të dhënat in vivo me saktësi të lartë, ne hipotezuam se dialogu kortiko-entorhinal dhe magjia e kujtesës do të ndodhin edhe kur subjektet janë duke fjetur. , ose të anestezuara,” tha Dr. Krishna Choudhary, autori kryesor i studimit.
“Ashtu si një makinë sillet si një makinë kur është në boshe ose kur ecën me 70 mph.”
Studiuesit e UCLA më pas bënë një tjetër supozim të madh: dinamika e të gjithë korteksit dhe korteksit entorhinal gjatë gjumit ose anestezisë mund të kapet nga vetëm dy neurone.
Këto supozime e reduktuan problemin e ndërveprimeve të miliarda neuroneve në vetëm dy variabla të lira – fuqinë e hyrjes nga neokorteksi në korteksin entorhinal dhe fuqinë e lidhjeve të përsëritura brenda korteksit entorhinal.
Ndërsa kjo e bën problemin matematikisht të trajtueshëm, ngre pyetjen e qartë – a është e vërtetë?
“Nëse e testojmë teorinë tonë në mënyrë sasiore mbi të dhënat in vivo, atëherë këto janë vetëm lojëra matematikore interesante, jo një kuptim solid i magjisë së krijimit të kujtesës,” tha Mehta.
Testet e rëndësishme eksperimentale të kësaj teorie kërkonin eksperimente të sofistikuara nga Dr. Thomas Hahn, një bashkautor i cili tani është profesor në Universitetin e Bazelit dhe një psikolog klinik.
“Korteksi entorhinal është një qark i komplikuar. Për të testuar vërtet teorinë, na nevojiteshin teknika eksperimentale që jo vetëm që mund të matin aktivitetin nervor me saktësi të lartë, por edhe të përcaktojnë identitetin e saktë anatomik të neuronit”, tha Hahn.
Hahn dhe Dr. Sven Berberich, gjithashtu një bashkautor, matën potencialin e membranës së neuroneve të identifikuar nga korteksi entorhinal in vivo, duke përdorur teknikën e kapëses së patch-it të tërë qelizave dhe më pas përdorën teknika anatomike për të identifikuar neuronin. Njëkohësisht ata matën aktivitetin e korteksit parietal, një pjesë e neokorteksit që dërgon inpute në korteksin entorhinal.
“Një teori matematikore dhe të dhëna të sofistikuara in vivo janë të nevojshme dhe të lezetshme, por ne duhej të merreshim me një sfidë tjetër – si mund ta hartojmë këtë teori të thjeshtë në të dhëna komplekse nervore?” tha Mehta.
“Kjo kërkonte një periudhë të zgjatur zhvillimi, për të gjeneruar një “mikroskop matematik” që mund të zbulojë drejtpërdrejt funksionimin e brendshëm të neuroneve ndërsa ata krijojnë kujtesën,” tha Choudhary. “Me sa dimë, kjo nuk është bërë më parë.”
Autorët vunë re se si një valë oqeani që formohet dhe më pas përplaset në një vijë bregdetare, sinjalet nga neokorteksi lëkunden ndërmjet gjendjeve ndezëse dhe fikëse në intervale ndërsa një person ose kafshë fle.
Ndërkohë, korteksi entorhinal veproi si një notar në ujë që mund të lëvizë lart kur formohet vala dhe më pas poshtë kur tërhiqet. Të dhënat e treguan këtë dhe modeli e kapi edhe këtë.
Por duke përdorur këtë ndeshje të thjeshtë, modelja mori jetën e saj dhe zbuloi një lloj të ri të gjendjes së kujtesës të njohur si pasiviteti i vazhdueshëm spontan, tha Mehta.
“Është sikur një valë hyn dhe korteksi entorhinal tha: ‘Nuk ka valë! Do të kujtoj se kohët e fundit nuk ka pasur asnjë valë, kështu që do ta injoroj këtë valë aktuale dhe nuk do të përgjigjem fare’. Ky është pasiviteti i vazhdueshëm”, tha Mehta.
“Përndryshe, aktiviteti i vazhdueshëm ndodh kur vala kortikale zhduket, por neuronet entorhinal kujtojnë se ka pasur një valë shumë kohët e fundit dhe vazhdojnë të rrotullohen përpara.”
Ndërsa shumë teori të kujtesës së punës kishin treguar praninë e aktivitetit të vazhdueshëm, të cilin autorët e gjetën, pasiviteti i vazhdueshëm ishte diçka që modeli e parashikoi dhe nuk ishte parë kurrë më parë.
“Pjesa e lezetshme e pasivitetit të vazhdueshëm është se praktikisht nuk kërkon energji, ndryshe nga aktiviteti i vazhdueshëm, i cili kërkon shumë energji”, tha Mehta, “edhe më mirë, kombinimi i aktivitetit të vazhdueshëm dhe pasivitetit e dyfishon kapacitetin e memories duke shkurtuar. kostoja e energjisë metabolike përgjysmohet.”
“E gjithë kjo dukej shumë e mirë për të qenë e vërtetë, kështu që ne vërtet e çuam mikroskopin tonë matematikor në kufi, në një regjim ku ai nuk ishte krijuar për të funksionuar,” tha Dr. Choudhary. “Nëse mikroskopi do të ishte i drejtë, ai do të vazhdonte të funksiononte në mënyrë të përsosur edhe në situata të pazakonta.”
“Mikroskopi matematikor bëri një duzinë parashikimesh, jo vetëm për rajone entorhinal, por edhe për shumë rajone të tjera të trurit. Për habinë tonë të plotë, mikroskopi matematik funksiononte çdo herë”, vazhdoi Mehta.
“Një përputhje e tillë pothuajse e përsosur midis parashikimeve të një teorie matematikore dhe eksperimenteve është e paprecedentë në neuroshkencë.
“Ky model matematik që përputhet në mënyrë të përkryer me eksperimentet është një mikroskop i ri,” vazhdoi Mehta.
“Ai zbulon diçka që asnjë mikroskop ekzistues nuk mund ta shihte pa të. Pavarësisht se sa neurone keni imazhuar, nuk do të kishte zbuluar asgjë nga këto.
“Në fakt, mangësitë metabolike janë një tipar i zakonshëm i shumë çrregullimeve të kujtesës,” tha Mehta. Laboratori i Mehta-s po ndjek tani këtë punë për të kuptuar se si formohet memoria e ndërlikuar e punës dhe çfarë nuk shkon në korteksin entorhinal gjatë sëmundjes së Alzheimerit, demencës dhe çrregullimeve të tjera të kujtesës.
Rreth këtij lajmi për kërkimin e gjumit dhe kujtesës
Autori: Will Houston
Burimi: UCLA
Kontaktoni: Will Houston – UCLA
Imazhi: Imazhi është kredituar për Neuroscience News
Hulumtimi origjinal: Qasje e hapur.
“Aktiviteti i vazhdueshëm spontan dhe pasiviteti in vivo zbulon lidhje diferenciale funksionale kortiko-entorhinal” nga Mayank Mehta et al. Nature Communications
Abstrakt
Aktiviteti i vazhdueshëm spontan dhe pasiviteti in vivo zbulon lidhje diferenciale funksionale kortiko-entorhinal
Të kuptuarit e lidhjes funksionale midis rajoneve të trurit dhe dinamikës së tij emergjente është një sfidë qendrore.
Këtu ne paraqesim një qasje hibride teori-eksperiment që përfshin përsëritjen midis një modeli minimal llogaritës dhe matjeve elektrofiziologjike in vivo.
Modeli ynë jo vetëm që parashikoi aktivitetin e vazhdueshëm spontan (SPA) gjatë lëkundjeve Lart-Poshtë-Gjendja, por edhe pasivitetin (SPI), i cili nuk është raportuar kurrë.
Këto u konfirmuan in vivo në potencialin membranor të neuroneve, veçanërisht nga shtresa 3 e korteksit entorhinal medial dhe lateral. Të dhënat më pas u përdorën për të kufizuar dy parametra të lirë, duke dhënë një model unik, të përcaktuar eksperimentalisht për çdo neuron.
Analiza analitike dhe llogaritëse e modelit gjeneroi një duzinë parashikime sasiore në lidhje me dinamikën e rrjetit, të cilat u konfirmuan të gjitha in vivo me saktësi të lartë.
Teknika jonë parashikoi lidhjen funksionale; p.sh. ngacmimi i përsëritur është më i fortë në korteksin medial sesa lateral entorhinal. Kjo u konfirmua edhe me të dhënat e konektomikës.
Kjo teknikë zbulon se si dialogu diferencial kortiko-entorhinal gjeneron SPA dhe SPI, të cilat mund të formojnë një substrat energjikisht efikas të memories së punës dhe të ndikojnë në konsolidimin e kujtimeve gjatë gjumit.
Më gjerësisht, procedura jonë mund të zbulojë lidhjen funksionale të rrjeteve të mëdha dhe një teori të dinamikës së tyre emergjente.