תאים המכונים אסטרוציטים הם בשפע במוח כמו נוירונים, אך מדענים בילו הרבה פחות זמן כדי להבין כיצד הם תורמים לתפקודי המוח. מחקר חדשני שנערך על ידי חוקרי MIT במכון PICower ללמידה וזיכרון מראה כי נראה כי פונקציה אחת שומרת על התנאים הכימיים הנחוצים לקבוצות נוירונים להצטרף לקידוד מידע.
באופן ספציפי, מדעני המוח הראו שכאשר הם הפילו את היכולת של אסטרוציטים בקליפת המוח החזותית של עכברים לייצר חלבון בשם "טרנספורטר GABA 3 (GAT3)," נוירונים שם הפכו פחות מסוגלים ככל שקבוצה לייצג מידע על הסרטים מעבדה ראו. GABA הוא מעביר עצבי מעכב נפוץ המחדד את הפעילות העצבית והאסטרוציטים משתמשים באופן ייחודי ב- GAT3 כדי לווסת את רמת הסביבה של GABA באזורם. במחקר ב אליףהוצאת GAT3 בקליפת המוח הוויזואלית הותירו נוירונים מתבצעים במרק של עודף GABA שהניב רק השפעות עדינות על נוירונים בודדים, אך בכל זאת הוסיף ליקוי משמעותי על מאמציהם כהרכב האחראי לתפקוד הוויזואלי.
גם אם השינויים ברמה של נוירון יחיד המייצג גירוי חזותי אינם משתנים באופן משמעותי, אם למאה נוירונים יש כמה שינויים קטנים, זה יכול להסתכם ברמת האוכלוסייה לשינוי משמעותי ומשמעותי. "
Mriganka Sur, סופר בכיר, פול ולילה ניוטון פרופסור במכון פיקאואר ובמחלקה למוח ומדעי המוח של MIT (BCS)
ראוי לציין כי המחברים כתבו ב אליףזהו המחקר הראשון בעכברים חיים של GAT3 בסולמות המשתרעים על תאים בודדים והרכבים פונקציונליים של מאות מהם.
כדי להבין את הגילוי, פארק הסטודנטים לתארים מתקדמים של BCS השתמש ביישום חדש של עריכת גנים CRISPR/CAS9 כדי להפיל את GAT3 בשילוב ניתוחים סטטיסטיים וחישוביים של פעילות עצבית ברמת האוכלוסייה, אמר סור.
גט בחוץ
מכיוון שמדעי המוח חקרו את מערכת הראייה של המוח במשך עשורים רבים, נוירונים טענו לרוב תשומת ליבם מכיוון שהם פעילים חשמליים וממוקדים בקלות רבה יותר גנטית, אמר סור. הטכנולוגיה למעקב אחר פעילות אסטרוציטים ולניפולציה של תפקידם לא התפתחה במהירות. אולם בשנת 2019, המכונים הלאומיים לבריאות העניקו לסור מענק לפיתוח כלים טובים יותר ללימוד אסטרוציטים. מימון זה עזר למעבדה ליצור את הגרסא של CRISPR/CAS9 שהם מכנים MRCUTS שמאפשרים את המחקר החדש. הכלי איפשר להם להשתמש רק בווקטור ויראלי אחד כדי למקד לגן המקודד GAT3 עבור חתכים מרובים. ההתקפה המרובה ההיא הפילה אותה במדויק באסטרוציטים של קליפת המוח.
ברגע שפארק הוציא את GAT3, היא יכלה לראות את השפעות היעדרותו על ידי מעקב חזותי על פעילות הסידן של נוירונים, פרוקסי לפעילותם החשמלית. ההשלכות היו עדינות יותר ממה שהקבוצה ציפה. נוירונים ירו בצורה פחות חזקה ופחות מהימנה. כאשר העכברים צפו רק במסך אפור, במקום סרטים, הנוירונים היו מפעילים באופן ספונטני לעתים קרובות פחות.
אך להפתעת החוקרים, כאשר GAT3 נעלם הנוירונים בנפרד עדיין עשו את עבודתם. תאים שבנוכחות GAT3 היו מגיבים לתכונות שונות של התמונות שראו העכברים, כמו כיוון הקווים, נותרו מגיבים גם לאחר שהופסק GAT3. אף על פי שרמות הסביבה של GABA היו גבוהות יותר, זוגות נוירונים עדיין חלקו את GABA דרך החיבורים הישירים שלהם, או "סינפסות", כמו קודם, כלומר הדיאלוג הישיר שלהם זה עם זה לא השתנה.
"ציפינו לראות שינויים בכוונון האוריינטציה בין היתר, אבל לא ראינו את זה", אמר פארק. "זו הסיבה שבדקנו את רמות הניתוח העמוקות יותר כדי לבדוק אם יש הבדל כלשהו."
שיבש את עבודת הצוות
ניתוח עמוק יותר התרחש ברמה של הרכבים עצביים רחבים יותר, שם פארק השתמש בכמה שיטות סטטיסטיות וחישוביות כדי לנתח כיצד קידוד המידע הקולקטיבי של מאות נוירונים השתנה כאשר הושמט GAT3.
בשיטה סטטיסטית הנקראת "מודל לינארי כללי" לניתוח דפוסי פעילות ברחבי ההרכב, גילה פארק שכאשר הושלכה GAT3, פעילותם של נוירונים הפכה פחות מנבאת את פעילותם של אחרים בקבוצה בהשוואה למועד בו הייתה GAT3. זה הצביע על כך שלמרות שנוירונים בודדים עשויים עדיין לעשות את מה שהם היו אמורים, התיאום שלהם נפגע. בינתיים באמצעות מפענח מבוסס "מכונת וקטור תמיכה" כדי להבחין במידע שההרכבים מייצגים, היא גילתה שכאשר GAT3 היה נוכח המפענח יכול היה לשפר את הערכתו ככל שנוספו יותר נוירונים למדגם שלה. אך כאשר הושלכה GAT3, המפענח כבר לא יכול היה לברר את המידע המיוצג אפילו עם גודל המדגם שלו.
"הגירעונות הפענוחים בעקבות הפשרה של GAT3 מספקים עדות לכך שהוויסות האסטרוציטי של GABA הסביבה חיוני לארגון דפוסי הפעילות העצביים המתואמים הנחוצים לקידוד מידע יעיל ברשתות קליפת המוח החזותיות", כתבו המחברים. אליףו
מקרים קליניים
הממצא כי היעדר GAT3 משבש את התיאום העצבי ברמת האוכלוסייה עשוי לסייע להסביר תצפיות קליניות כי הפחתה של GAT3 בתלמוס מגדילה את סיכון ההתקפים, עלייה של GAT3 בסטריאטום תורמת להתנהגויות חוזרות ונשנות, והפחתת GAT3 ב"גלובוס פלידוס "פוגעת בתיאום המוטורי, אמר פארק.
"מכיוון שהמחקר שלנו הוא הראשון שמסתכל על השפעות GAT3 על רמת אוכלוסייה, זה עשוי לעזור לקשור את זה בחזרה לכמה מהפנוטיפים ההתנהגותיים שאנשים רואים", אמר פארק. אולם יש צורך במחקר נוסף, ציין סור, מכיוון שיש חלבוני GAT אחרים, כמו GAT1, שהמוח עשוי להשתמש בו כדי לפצות.
בנוסף לפארק וסור, המחברים האחרים של העיתון הם גרייסון סיפ, שין טאנג, פראצ'י אוג'ה, ג'יזל פרננדס, יי נינג לאו, קרוליין ג'אנג, יומה אוסאקו, ארונדהטי נאטסן, גבריאלה דרומונד ורודולף ג'ניש.
המוסדות הלאומיים לבריאות, מענק מורי, יוזמת מחקר אוטיזם של קרן סימונס, קרן חופש יחד והמכון לפיקאואר ללמידה וזיכרון סיפקו מימון למחקר.
