Onderzoekers identificeren een nieuw neuroplasticiteitsmechanisme gekoppeld aan leren en geheugen

Neuronen zijn belangrijk, maar ze zijn niet de enige spelers in dit proces. Het is namelijk het "kraakbeen" in de vorm van clusters van extracellulaire matrixmoleculen, chondroïtinesulfaten genaamd, gelegen aan de buitenkant van zenuwcellen, dat een sleutelrol speelt in het vermogen van de hersenen om informatie te verkrijgen en op te slaan.

Een studie gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports beschrijft een nieuw mechanisme voor hersenplasticiteit, oftewel hoe neurale verbindingen veranderen als reactie op externe stimuli. De paper is getiteld "Focal Clusters of the Perisynaptic Matrix Promote Activity-Dependent Plasticity and Memory in Mice."

Dit werk is het resultaat van een samenwerking tussen Harvard Medical School, de Universiteit van Trento en het Duitse Centrum voor Neurodegeneratieve Ziekten (DZNE) in Magdeburg.

"Zintuiglijke vaardigheden en het vermogen om onze omgeving te begrijpen, zijn afhankelijk van hersenactiviteit. Deze activiteit stelt ons in staat om prikkels uit de buitenwereld waar te nemen en te verwerken. Via onze hersenen kunnen we nieuwe informatie verwerven en opslaan, en informatie die we al hebben geleerd, onthouden", aldus Yuri Bozzi en Gabriele Cellini.

Dit fascinerende fenomeen wordt mogelijk gemaakt door het vermogen van de hersenen om de structuur en effectiviteit van neurale verbindingen (synapsen) continu te veranderen als reactie op externe stimuli. Dit vermogen wordt synaptische plasticiteit genoemd. Begrijpen hoe synaptische veranderingen plaatsvinden en hoe ze bijdragen aan leren en geheugen is een van de grootste uitdagingen in de neurowetenschap.

Yuri Bozzi is hoogleraar aan de Universiteit van Trento en medeauteur van het artikel. Gabriele Cellini is de eerste auteur van de studie. Cellini begon in 2017 aan dit project als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sabina Berretta (McLean Hospital en Harvard Medical School, Boston) en voltooide de wetenschappelijke publicatie terwijl ze als postdoctoraal onderzoeker in Bozzi's laboratorium aan de Universiteit van Trento werkte.

Centraal in de studie staan chondroïtinesulfaten, moleculen die bekendstaan om hun rol in gewrichten, maar die ook een belangrijke rol spelen bij de plasticiteit van de hersenen. Ze vormen een integraal onderdeel van de extracellulaire matrix van de hersenen, zoals oorspronkelijk in 2001 werd ontdekt door de groep van Dr. Alexander Dityatev.

In 2007 beschreef een Japanse studie de aanwezigheid van chondroïtinesulfaatclusters, rond van vorm en schijnbaar willekeurig verspreid over de hersenen. Het onderzoek raakte echter in de vergetelheid totdat het translationele neurowetenschappelijke laboratorium van Sabina Berretta de structuren weer in de wetenschappelijke schijnwerpers zette door ze te hernoemen tot CS-6-clusters (naar chondroïtinesulfaat-6, wat hun precieze moleculaire samenstelling aangeeft) en aantoonde dat de structuren geassocieerd zijn met gliacellen en sterk gereduceerd zijn in de hersenen van mensen met psychotische stoornissen.

In 2017 kreeg Gabriele Cellini, die net was aangenomen in het laboratorium van Berretta, de opdracht om de functie van deze clusters te ontrafelen.

"We hebben deze structuren eerst gedetailleerd onderzocht en ze met zeer hoge resolutie in beeld gebracht. We ontdekten dat het in wezen clusters waren van met CS-6 bedekte synapsen, georganiseerd in een duidelijk herkenbare geometrische vorm. Vervolgens hebben we een nieuw type synaptische organisatie geïdentificeerd", aldus de wetenschappers.

Op dit punt moesten we een beetje 'experimenteel creatief' worden; door een combinatie van gedragsmatige, moleculaire en geavanceerde morfologische benaderingen kwamen we erachter dat deze verbindingen, ingekapseld in CS-6-clusters, veranderen als reactie op elektrische activiteit in de hersenen.

"Dankzij de samenwerking met Alexander Dityatev van DZNE Magdeburg en de inspanningen van Hadi Mirzapurdelawar van zijn groep, konden we uiteindelijk de expressie van CS-6 in de hippocampus (het hersengebied dat verantwoordelijk is voor ruimtelijk leren) verminderen en aantonen dat de aanwezigheid van CS-6 noodzakelijk is voor synaptische plasticiteit en ruimtelijk geheugen", benadrukken Bozzi en Cellini.

"Dit werk baant de weg voor een nieuwe kijk op hersenfunctie. Het is mogelijk dat alle synapsen die op verschillende neuronen binnen CS-6-clusters worden gevormd, samen kunnen reageren op specifieke externe stimuli en kunnen deelnemen aan een gemeenschappelijke functie gericht op leer- en geheugenprocessen", merken ze op.

"Ze lijken een nieuw substraat te vormen voor informatie-integratie en associatievorming op multicellulair niveau", voegen Dityatev en Berretta toe.

Dit werk is het resultaat van de samenwerking tussen verschillende laboratoria, waaronder het Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvard Medical School, Boston), het Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisciplinary Center for Brain Science, Universiteit van Trento) en het Molecular Neuroplasticity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).