นักวิจัยได้ระบุกลไกความยืดหยุ่นของระบบประสาทใหม่ที่เชื่อมโยงกับการเรียนรู้และความจำ

เซลล์ประสาทมีความสำคัญ แต่ไม่ใช่เพียงปัจจัยเดียวในกระบวนการนี้ แท้จริงแล้ว "กระดูกอ่อน" ในรูปของคลัสเตอร์ของโมเลกุลเมทริกซ์นอกเซลล์ที่เรียกว่าคอนโดรอิทินซัลเฟต ซึ่งอยู่ภายนอกเซลล์ประสาทมีบทบาทสำคัญในความสามารถของสมองในการรับและจัดเก็บข้อมูล

การศึกษาวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Cell Reportsอธิบายถึงกลไกใหม่ในการสร้างความยืดหยุ่นของสมอง หรือวิธีที่การเชื่อมต่อของระบบประสาทเปลี่ยนแปลงไปเมื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก งานวิจัยดังกล่าวมีชื่อว่า "Focal Clusters of the Perisynaptic Matrix Promote Activity-Dependent Plasticity and Memory in Mice"

ผลงานนี้เป็นผลลัพธ์จากความร่วมมือระหว่างคณะแพทยศาสตร์ฮาร์วาร์ด มหาวิทยาลัยเทรนโต และศูนย์โรคระบบประสาทเสื่อมแห่งเยอรมนี (DZNE) ในเมืองแม็กเดบูร์ก

“ทักษะการรับรู้และความสามารถในการเข้าใจสภาพแวดล้อมรอบตัวเราขึ้นอยู่กับกิจกรรมของสมอง ซึ่งช่วยให้เรารับรู้และประมวลผลสิ่งเร้าจากโลกภายนอกได้ สมองช่วยให้เรารับและจัดเก็บข้อมูลใหม่ ๆ ได้ รวมถึงจำข้อมูลที่เราเรียนรู้ไปแล้วได้ด้วย” ยูริ โบซซีและกาเบรียล เซลลินี กล่าว

“ปรากฏการณ์อันน่าทึ่งนี้เกิดขึ้นได้จากความสามารถของสมองในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อประสาท (ไซแนปส์) อย่างต่อเนื่องในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก ความสามารถนี้เรียกว่าความยืดหยุ่นของไซแนปส์ การทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงของไซแนปส์เกิดขึ้นได้อย่างไรและส่งผลต่อการเรียนรู้และความจำอย่างไร ถือเป็นความท้าทายที่สำคัญประการหนึ่งในด้านประสาทวิทยา”

Yuri Bozzi เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยเทรนโตและเป็นผู้เขียนร่วมหลักของบทความ Gabriele Cellini เป็นผู้เขียนคนแรกของการศึกษา Cellini เริ่มทำงานในโครงการนี้ในปี 2017 ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของ Sabina Berretta (โรงพยาบาล McLean และโรงเรียนแพทย์ Harvard เมืองบอสตัน) และได้จัดทำสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์เสร็จเรียบร้อยในขณะที่ทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของ Bozzi ที่มหาวิทยาลัยเทรนโต

ศูนย์กลางการศึกษาคือคอนโดรอิทินซัลเฟต ซึ่งเป็นโมเลกุลที่รู้จักกันดีในบทบาทในข้อต่อและยังทำหน้าที่สำคัญในความยืดหยุ่นของสมอง โดยเป็นส่วนสำคัญของเมทริกซ์นอกเซลล์ของสมอง ซึ่งค้นพบครั้งแรกโดยกลุ่มของดร. Alexander Dityatev ในปี 2001

ในปี 2550 การศึกษาวิจัยของญี่ปุ่นได้อธิบายถึงการมีอยู่ของกลุ่มคอนดรอยตินซัลเฟต ซึ่งมีรูปร่างกลมและกระจายอยู่ทั่วสมองอย่างสุ่ม แต่ผลงานดังกล่าวถูกลืมไป จนกระทั่งห้องปฏิบัติการประสาทวิทยาการแปลผลของ Sabina Berretta ได้นำโครงสร้างดังกล่าวกลับมาเป็นที่สนใจทางวิทยาศาสตร์อีกครั้ง โดยเปลี่ยนชื่อใหม่เป็นคลัสเตอร์ CS-6 (สำหรับคอนดรอยตินซัลเฟต-6 ซึ่งระบุองค์ประกอบโมเลกุลที่ชัดเจน) และแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างดังกล่าวเกี่ยวข้องกับเซลล์เกลียและมีจำนวนลดลงอย่างมากในสมองของผู้ป่วยโรคจิต

จากนั้นในปี 2017 Gabriele Cellini ซึ่งเพิ่งเข้ามาทำงานในห้องแล็ปของ Berretta ได้รับมอบหมายให้ค้นหาหน้าที่ของคลัสเตอร์เหล่านี้

“ขั้นแรก เราได้ตรวจสอบโครงสร้างเหล่านี้อย่างละเอียด และถ่ายภาพด้วยความละเอียดสูงมาก เราพบว่าโครงสร้างเหล่านี้เป็นกลุ่มของไซแนปส์ที่เคลือบด้วย CS-6 ที่เรียงตัวกันเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่สามารถจดจำได้อย่างชัดเจน จากนั้น เราจึงระบุโครงสร้างไซแนปส์ประเภทใหม่” นักวิทยาศาสตร์กล่าว

“ในตอนนี้ เราต้องมี 'ความคิดสร้างสรรค์เชิงทดลอง' เล็กน้อย โดยใช้การผสมผสานแนวทางเชิงพฤติกรรม โมเลกุล และวิธีการทางสัณฐานวิทยาที่ซับซ้อน เราจึงตระหนักว่าสารประกอบเหล่านี้ที่ห่อหุ้มอยู่ในคลัสเตอร์ CS-6 เปลี่ยนแปลงไปเมื่อตอบสนองต่อกิจกรรมทางไฟฟ้าในสมอง”

“ในที่สุด ต้องขอขอบคุณความร่วมมือกับ Alexander Dityatev จาก DZNE Magdeburg และความพยายามของ Hadi Mirzapurdelawar จากกลุ่มของเขา เราจึงลดการแสดงออกของ CS-6 ในฮิปโปแคมปัส (บริเวณสมองที่รับผิดชอบการเรียนรู้เชิงพื้นที่) และแสดงให้เห็นว่าการมีอยู่ของ CS-6 เป็นสิ่งจำเป็นต่อความยืดหยุ่นของซินแนปส์และความจำเชิงพื้นที่” Bozzi และ Cellini ชี้ให้เห็น

“ผลงานนี้ช่วยปูทางไปสู่แนวทางใหม่ในการมองการทำงานของสมอง เป็นไปได้ที่ไซแนปส์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นบนเซลล์ประสาทต่างๆ ภายในคลัสเตอร์ CS-6 จะสามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอกที่เฉพาะเจาะจงได้พร้อมกัน และมีส่วนร่วมในหน้าที่ร่วมกันที่มุ่งเป้าไปที่กระบวนการเรียนรู้และความจำ” พวกเขาระบุ

“พวกมันดูเหมือนจะแสดงถึงสารตั้งต้นใหม่สำหรับการรวมข้อมูลและการก่อตัวของความสัมพันธ์ในระดับหลายเซลล์” Dityatev และ Berretta กล่าวเสริม

ผลงานนี้เป็นผลลัพธ์จากความร่วมมือระหว่างห้องปฏิบัติการหลายแห่ง รวมถึง Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvard Medical School, Boston), Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinary Center for Brain Science, University of Trento) และ Molecular Neuroplasticity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg)