U radu koji je nedavno objavljen u PNAS Nekus-u, istraživači sa Odeljenja za komparativnu bionauku na Univerzitetu Ilinois Urbana-Champaign opisuju kako su bili u stanju da inhibiraju aktivnost specifičnog tipa neuronskih ćelija u hipokampusu da izazovu ćelijske promene i promene u ponašanju povezane sa starenje.
Njihova studija potvrđuje uzročnu vezu između smanjene funkcije određenih interneurona u mozgu i kognitivnog pada. Pored toga, njihov novi eksperimentalni model može biti koristan za proučavanje kognitivnih poremećaja povezanih sa uzrastom.
Prvi autor Jinrui Liu, diplomirani student na Programu neuronauka i Odeljenju za uporedne bionauke, izveo je i analizirao eksperimente za studiju. Dopisni autor Uve Rudolph je profesor i šef Odseka za komparativne bionauke na Fakultetu veterinarske medicine.
Ovi autori su odgovorili na neka pitanja o dizajnu i značaju svoje studije.
Našu laboratoriju zanima zašto je mozak koji starenje podložniji od mlađeg mozga na oštećenja kognitivnih funkcija kao odgovor na operaciju, koja mogu trajati nekoliko meseci i povezana su sa povećanim morbiditetom i mortalitetom. Želimo da bolje razumemo šta se dešava na ćelijskom nivou kako bismo mi i drugi na kraju mogli da razvijemo terapije za lečenje ovog kliničkog problema.
U ovoj studiji, želeli smo da testiramo da li je smanjenje funkcionalnosti određene podgrupe neurona odgovorno i dovoljno za kognitivni pad u vezi sa starenjem, i da razvijemo novi model miša za starenje u hipokampusu, delu mozga koji igra važnu ulogu za učenje i pamćenje.
Poznato je da je broj somatostatinskih interneurona u podregiji hipokampusa, dentat girus hilus, smanjen kod ostarelih kognitivno oštećenih glodara. Testirali smo relevantnost ovog zapažanja koristeći hemogenetske alate za inhibiciju samo ovih neurona. Ako bi ova hemogenetska inhibicija dovela do kognitivnog pada, to bi uspostavilo uzročnu vezu između smanjenja funkcionisanja ovih neurona i promena u kogniciji u vezi sa uzrastom. Ova hipoteza je potvrđena.
Pošto je starenje hroničan proces, uporedili smo hroničnu inhibiciju ovih somatostatinskih neurona (tokom najmanje 3 nedelje) sa suptilnijom povremenom inhibicijom, i u skladu sa našim očekivanjima, hronična inhibicija je imala mnogo veći efekat.
Pored kognitivnih oštećenja, pronašli smo još nekoliko promena koje su opisane u ostarelom mozgu. To uključuje hiperaktivnost u zupčastom girusu, smanjenje količine somatostatina u zupčastom girusu (najverovatnije zbog inhibiranih ćelija koje više ne eksprimiraju ovaj marker) i povećanu mikroglijalnu aktivaciju. Microglia su rezidentne imune ćelije mozga i reaguju na promene u svom okruženju.
Demonstracija da je modulacija samo ove male populacije ćelija dovoljna da izazove promene koje se vide sa normalnim ili hronološkim starenjem u delu mozga je ono što je novo. Starenje je svakako povezano sa mnoštvom promena u mozgu – poznatih i nepoznatih – i zapanjujuće je da je manja promena poput one koju smo napravili dovoljna da objasni nekoliko molekularnih i bihevioralnih promena uočenih kod ostarelih miševa.
Takođe bi se moglo reći da smo pronašli način da mlade miševe (barem njihov hipokampus) ostarimo za samo nekoliko nedelja. To je zapravo bio naš cilj, jer proučavamo i kognitivnu disfunkciju mozga koji stari kao odgovor na operaciju. Rad sa ostarelim miševima predstavlja značajne logističke izazove, a mi i drugi sada možemo da proučavamo efekte starenja u hipokampusu kod hronološki mladih odraslih miševa.
Interneuroni nose informacije između dva druga neurona, na primer, glavnih neurona. Oni inhibiraju i tako fino podešavaju i oblikuju aktivnost ekscitatornih neurona. Interneuroni verovatno igraju ulogu u svim višim funkcijama mozga, uključujući učenje, pamćenje i planiranje.
Iako se procene razlikuju, kako za različite regione mozga, tako i za različite vrste, široko se pretpostavlja da su kod ljudi 20% do 30% svih neurona interneuroni, koji se mogu klasifikovati u skoro bezbroj podgrupa, uglavnom na osnovu proteina koje eksprimiraju , kao somatostatin u neuronima koje smo proučavali.
Hemogenetika uključuje upotrebu genetski modifikovanih receptora koji reaguju na specifične male molekule koji u idealnom slučaju nemaju druge efekte. Ovi receptori su upakovani u virusne vektore koji se stereotaksički ubrizgavaju u interesni region mozga, gde će biti eksprimirani samo u definisanim ćelijama.
Izabrali smo hemogenetski receptor koji inhibira esencijalne biohemijske ćelijske puteve, tako da kada damo veoma nisku dozu antipsihotičkog leka klozapina, inhibiraju se samo ćelije koje eksprimiraju hemogenetski receptor — u našem slučaju interneuroni somatostatina u hilusu zupčastog girusa.
Iako nismo radili takve eksperimente, takođe bi se moglo ispitati da li su promene povezane sa starenjem izazvane inhibicijom ovih neurona reverzibilne, zaustavljanjem primene klozapina.
Na primer, odredili smo gustinu dendritskih bodlji, koje su male izbočine iz dendrita neurona i koje regulišu količinu ekscitatorne neurotransmisije i stoga su od funkcionalnog značaja, na primer, za učenje i pamćenje. Takođe smo otkrili da je veličina ćelijskog tela mikroglije povećana, u skladu sa aktiviranjem mikroglije.
Za analizu ponašanja, uradili smo razne testove koji daju informacije o različitim aspektima učenja i pamćenja. Na primer, testirali smo da li miševi pokazuju uobičajeno alternaciono ponašanje, to jest, ulaze u ruke koje nisu bile posećene kada im je dozvoljeno da se slobodno kreću u lavirintu u obliku slova I, ili više vole da komuniciraju sa novim objektom umesto poznatog objekta.
U Morisovom testu vodenog lavirinta, miševi su obučeni da pronađu skrivenu platformu, a kada pomerimo platformu na novu poziciju, proučavamo učenje o preokretu, koje je ranije bilo povezano sa zupčastim vijugom.
Starenje je neizbežan, složen i višefaktorski proces. Kognitivni pad, kao što je gubitak pamćenja, jedan je od najčešćih problema u starijoj populaciji. Hipokampus igra vitalnu ulogu u učenju i pamćenju u mozgu sisara.
Razumevanje ćelijskih mehanizama koji leže u osnovi starenja je ključno za razvoj novih strategija za sprečavanje ili preokretanje kognitivne disfunkcije povezane sa starenjem i za sprečavanje ili poništavanje postoperativnih kognitivnih deficita koji se javljaju prvenstveno kod starijih pacijenata.
