La semplice regola che guida la plasticità sinaptica / The simple rule that guides synaptic plasticity
La semplice regola che guida la plasticità sinaptica / The simple rule that guides synaptic plasticity
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Immagine al microscopio elettronico di un dendrite, una ramificazione di un neurone, lungo il quale gli autori hanno reso fluorescente la proteina Arc (in verde) (Credit: Sur, et. al.) / Electron micrograph of a dendrite, a branch of a neuron, along which the authors have rendered the Arc protein fluorescent (in green)
Quando una sinapsi si rafforza, le altre vicine s'indeboliscono. Questo meccanismo molecolare ben definito, basato su una semplice regola, viene controllato da una proteina chiamata Arc, a cui spetta il compito di mantenere l'equilibrio complessivo che permette al cervello di valorizzare alcuni stimoli al posto di altri.
Il cervello umano è costituito da un numero di neuroni variabile tra alcune decine di miliardi a un centinaio di miliardi, che si scambiano continuamente segnali in forma di impulsi elettrici attraverso apposite giunzioni.
Il numero di queste giunzioni – le sinapsi – raggiunge valori ancora più incredibili: da decine di migliaia di miliardi a milioni di miliardi. Ma l’aspetto che più colpisce delle sinapsi è la loro plasticità: cambiano continuamente per numero e intensità, in un perpetuo equilibrio che consente al cervello di valorizzare alcuni stimoli tralasciandone altri.
Un nuovo studio pubblicato su “Science” da Mriganka Sur e colleghi del Picower Institute for Learning and Memory del Massachusetts Institute of Technology ha scoperto che appena una sinapsi si rafforza, quelle vicine s’indeboliscono immediatamente grazie all’azione di una proteina cruciale, denominata Arc (da Activity-regulated cytoskeleton-associated protein).
“I comportamenti collettivi dei sistemi complessi hanno sempre regole semplici, e ne troviamo la conferma anche in questo risultato”, ha commentato Sur. “Quando una sinapsi si rafforza, entro un raggio di 50 micrometri c’è una diminuzione della forza di altre sinapsi, sulla base di un meccanismo molecolare ben definito”.
In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno osservato la plasticità neuronale di alcuni topi di laboratorio cambiando il “campo ricettivo” di un neurone, cioè la zona del campo visivo nella quale deve essere localizzato uno stimolo sensoriale affinché quello specifico neurone possa rispondere.
Gli autori hanno così potuto monitorare da vicino i cambiamenti delle sinapsi del neurone quando mostravano al topo uno stimolo in un punto al di fuori dal suo campo recettivo originario. Via via che veniva codificato un nuovo campo recettivo e le sinapsi coinvolte venivano rafforzate, i ricercatori hanno osservato al microscopio elettronico che le sinapsi vicine si ritraevano. La scoperta è stata poi confermata, in collaborazione con colleghi del Politecnico di Losanna, osservando lo stesso fenomeno con una tecnica di microscopia tridimensionale a una risoluzione ancora più elevata.
Ma come si fa a controllare l’applicazione di una regola apparentemente semplice (“se qualcosa aumenta, qualcos’altro deve diminuire”) in un sistema complesso come il cervello?
Sur e colleghi hanno documentato che i cambiamenti che avvenivano nelle sinapsi erano correlati all’espressione di specifici recettori presenti sui neuroni, chiamati AMPA. E l’espressione dei recettori AMPA, a sua volta, era controllata dalla proteina Arc. In altre parole, le sinapsi con ridotti livelli di Arc erano in grado di esprimere più recettori AMPA, mentre quelle con elevati livelli di Arc ne esprimevano di meno.
“La conclusione è che la proteina Arc mantiene l’equilibrio delle risorse sinaptiche”, hanno spiegato i ricercatori. “Se qualcosa aumenta, qualcos’altro deve diminuire: il ruolo principale di Arc è di regolare questo meccanismo”. Di conseguenza, lo studio risolve anche un mistero legato ad Arc: prima d’ora nessuno aveva capito come mai la proteina, pur agendo per indebolire le sinapsi, appariva iperattivata nei dendriti in fase di plasticità sinaptica.
La scoperta della regola, ha aggiunto Sur, aiuta a spiegare come potrebbero funzionare apprendimento e memoria a livello del singolo neurone poiché mostra in che modo un neurone si adegua alla stimolazione ripetuta di un altro.
ENGLISH
When a synapse is strengthened, the other neighbors weaken. This well-defined molecular mechanism, based on a simple rule, is controlled by a protein called Arc, which has the task of maintaining the overall balance that allows the brain to enhance some stimuli in place of others.
The human brain is made up of a number of neurons ranging from several tens of billions to one hundred billion, which continuously exchange signals in the form of electrical impulses through appropriate junctions.
The number of these junctions - the synapses - reaches even more incredible values: from tens of thousands of billions to millions of billions. But the most striking aspect of the synapses is their plasticity: they continually change in number and intensity, in a perpetual balance that allows the brain to enhance some stimuli and ignore others.
A new study published in "Science" by Mriganka Sur and colleagues of the Massachusetts Institute of Technology's Picower Institute for Learning and Memory found that as soon as a synapse strengthens, the neighboring ones weaken immediately thanks to the action of a crucial protein, called Arc (from Activity-regulated cytoskeleton-associated protein).
"The collective behaviors of complex systems always have simple rules, and we find this confirmation also in this result", commented Sur. "When a synapse is strengthened, within a radius of 50 micrometers there is a decrease in the strength of other synapses, based on a well-defined molecular mechanism".
In a series of experiments, the researchers observed the neural plasticity of some laboratory mice by changing the "receptive field" of a neuron, that is, the area of the visual field in which a sensory stimulus must be located in order for that specific neuron to respond.
The authors were able to closely monitor the changes in the synapses of the neuron when they showed the mouse a stimulus at a point outside its original receptive field. As a new receptive field was codified and the synapses involved were strengthened, the researchers observed under an electron microscope that the neighboring synapses were retracting. The discovery was then confirmed, in collaboration with colleagues at the Polytechnic of Lausanne, observing the same phenomenon with a three-dimensional microscopy technique at an even higher resolution.
But how do you control the application of an apparently simple rule ("if something increases, something else must decrease") in a complex system like the brain?
Sur and colleagues have documented that the changes that occurred in the synapses were related to the expression of specific receptors on neurons, called AMPA. And the expression of AMPA receptors, in turn, was controlled by the Arc protein. In other words, synapses with reduced Arc levels were able to express more AMPA receptors, while those with high Arc levels expressed less.
"The conclusion is that the Arc protein maintains the balance of synaptic resources," the researchers explained. "If something increases, something else must decrease: the main role of Arc is to regulate this mechanism". Consequently, the study also solves a mystery linked to Arc: before now no one had understood why the protein, although acting to weaken the synapses, appeared hyperactivated in the dendrites in the phase of synaptic plasticity.
The discovery of the rule, added Sur, helps to explain how learning and memory could work at the level of the single neuron because it shows how a neuron adapts to the repeated stimulation of another.
Da:
http://www.lescienze.it/news/2018/07/03/news/sinapsi_plastiche_proteina-4034680/?ref=nl-Le-Scienze_06-07-2018
Quando una sinapsi si rafforza, le altre vicine s'indeboliscono. Questo meccanismo molecolare ben definito, basato su una semplice regola, viene controllato da una proteina chiamata Arc, a cui spetta il compito di mantenere l'equilibrio complessivo che permette al cervello di valorizzare alcuni stimoli al posto di altri.
Il cervello umano è costituito da un numero di neuroni variabile tra alcune decine di miliardi a un centinaio di miliardi, che si scambiano continuamente segnali in forma di impulsi elettrici attraverso apposite giunzioni.
Il numero di queste giunzioni – le sinapsi – raggiunge valori ancora più incredibili: da decine di migliaia di miliardi a milioni di miliardi. Ma l’aspetto che più colpisce delle sinapsi è la loro plasticità: cambiano continuamente per numero e intensità, in un perpetuo equilibrio che consente al cervello di valorizzare alcuni stimoli tralasciandone altri.
Un nuovo studio pubblicato su “Science” da Mriganka Sur e colleghi del Picower Institute for Learning and Memory del Massachusetts Institute of Technology ha scoperto che appena una sinapsi si rafforza, quelle vicine s’indeboliscono immediatamente grazie all’azione di una proteina cruciale, denominata Arc (da Activity-regulated cytoskeleton-associated protein).
“I comportamenti collettivi dei sistemi complessi hanno sempre regole semplici, e ne troviamo la conferma anche in questo risultato”, ha commentato Sur. “Quando una sinapsi si rafforza, entro un raggio di 50 micrometri c’è una diminuzione della forza di altre sinapsi, sulla base di un meccanismo molecolare ben definito”.
In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno osservato la plasticità neuronale di alcuni topi di laboratorio cambiando il “campo ricettivo” di un neurone, cioè la zona del campo visivo nella quale deve essere localizzato uno stimolo sensoriale affinché quello specifico neurone possa rispondere.
Gli autori hanno così potuto monitorare da vicino i cambiamenti delle sinapsi del neurone quando mostravano al topo uno stimolo in un punto al di fuori dal suo campo recettivo originario. Via via che veniva codificato un nuovo campo recettivo e le sinapsi coinvolte venivano rafforzate, i ricercatori hanno osservato al microscopio elettronico che le sinapsi vicine si ritraevano. La scoperta è stata poi confermata, in collaborazione con colleghi del Politecnico di Losanna, osservando lo stesso fenomeno con una tecnica di microscopia tridimensionale a una risoluzione ancora più elevata.
Ma come si fa a controllare l’applicazione di una regola apparentemente semplice (“se qualcosa aumenta, qualcos’altro deve diminuire”) in un sistema complesso come il cervello?
Sur e colleghi hanno documentato che i cambiamenti che avvenivano nelle sinapsi erano correlati all’espressione di specifici recettori presenti sui neuroni, chiamati AMPA. E l’espressione dei recettori AMPA, a sua volta, era controllata dalla proteina Arc. In altre parole, le sinapsi con ridotti livelli di Arc erano in grado di esprimere più recettori AMPA, mentre quelle con elevati livelli di Arc ne esprimevano di meno.
“La conclusione è che la proteina Arc mantiene l’equilibrio delle risorse sinaptiche”, hanno spiegato i ricercatori. “Se qualcosa aumenta, qualcos’altro deve diminuire: il ruolo principale di Arc è di regolare questo meccanismo”. Di conseguenza, lo studio risolve anche un mistero legato ad Arc: prima d’ora nessuno aveva capito come mai la proteina, pur agendo per indebolire le sinapsi, appariva iperattivata nei dendriti in fase di plasticità sinaptica.
La scoperta della regola, ha aggiunto Sur, aiuta a spiegare come potrebbero funzionare apprendimento e memoria a livello del singolo neurone poiché mostra in che modo un neurone si adegua alla stimolazione ripetuta di un altro.
ENGLISH
When a synapse is strengthened, the other neighbors weaken. This well-defined molecular mechanism, based on a simple rule, is controlled by a protein called Arc, which has the task of maintaining the overall balance that allows the brain to enhance some stimuli in place of others.
The human brain is made up of a number of neurons ranging from several tens of billions to one hundred billion, which continuously exchange signals in the form of electrical impulses through appropriate junctions.
The number of these junctions - the synapses - reaches even more incredible values: from tens of thousands of billions to millions of billions. But the most striking aspect of the synapses is their plasticity: they continually change in number and intensity, in a perpetual balance that allows the brain to enhance some stimuli and ignore others.
A new study published in "Science" by Mriganka Sur and colleagues of the Massachusetts Institute of Technology's Picower Institute for Learning and Memory found that as soon as a synapse strengthens, the neighboring ones weaken immediately thanks to the action of a crucial protein, called Arc (from Activity-regulated cytoskeleton-associated protein).
"The collective behaviors of complex systems always have simple rules, and we find this confirmation also in this result", commented Sur. "When a synapse is strengthened, within a radius of 50 micrometers there is a decrease in the strength of other synapses, based on a well-defined molecular mechanism".
In a series of experiments, the researchers observed the neural plasticity of some laboratory mice by changing the "receptive field" of a neuron, that is, the area of the visual field in which a sensory stimulus must be located in order for that specific neuron to respond.
The authors were able to closely monitor the changes in the synapses of the neuron when they showed the mouse a stimulus at a point outside its original receptive field. As a new receptive field was codified and the synapses involved were strengthened, the researchers observed under an electron microscope that the neighboring synapses were retracting. The discovery was then confirmed, in collaboration with colleagues at the Polytechnic of Lausanne, observing the same phenomenon with a three-dimensional microscopy technique at an even higher resolution.
But how do you control the application of an apparently simple rule ("if something increases, something else must decrease") in a complex system like the brain?
Sur and colleagues have documented that the changes that occurred in the synapses were related to the expression of specific receptors on neurons, called AMPA. And the expression of AMPA receptors, in turn, was controlled by the Arc protein. In other words, synapses with reduced Arc levels were able to express more AMPA receptors, while those with high Arc levels expressed less.
"The conclusion is that the Arc protein maintains the balance of synaptic resources," the researchers explained. "If something increases, something else must decrease: the main role of Arc is to regulate this mechanism". Consequently, the study also solves a mystery linked to Arc: before now no one had understood why the protein, although acting to weaken the synapses, appeared hyperactivated in the dendrites in the phase of synaptic plasticity.
The discovery of the rule, added Sur, helps to explain how learning and memory could work at the level of the single neuron because it shows how a neuron adapts to the repeated stimulation of another.
Da:
http://www.lescienze.it/news/2018/07/03/news/sinapsi_plastiche_proteina-4034680/?ref=nl-Le-Scienze_06-07-2018
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