Глиальные клетки поедают синапсы, чтобы улучшить память мышей

В мозге регулярно образуется множество нейронных связей, но далеко не все из них остаются полезными спустя время. Удаление нейронных связей, которые больше не нужны, называют сокращением числа синапсов (synaptic pruning). Это необходимо для «разгрузки» мозга и усовершенствования процессов обучения и запоминания. Как правило, удаляются наименее активные синапсы, которые используются редко. Нарушение этого процесса приводит к различным расстройствам и патологиям.

Раньше считалось, что глиальные клетки просто «заполняют промежутки» между нейронами. Но, судя по всему, они играют роль в поглощении синапсов. В новом исследовании ученые из Японии визуализировали этот процесс и показали, что синаптическое поглощение глиальными клетками Бергмана в мозжечке мышей усиливается во время обучения.

Когда клетки поглощают соседние клетки или патогены — это называется фагоцитозом. В мозге фагоцитоз характерен для микроглии. Недавно выяснилось, что астроциты и микроглия фагоцитируют нейронные элементы, включая синапсы, во время раннего развития мозга или когда в больном мозге происходит резкое ремоделирование нейронной сети. Но отследить этот процесс в здоровом мозге сложно, поскольку клетки быстро дегенерируют поглощенные белки.

В новой работе исследователи использовали устойчивый к дегенерации флуоресцентный белок pHRed. Его часто применяют для исследований аутофагии в живых клетках или тканях, поскольку он относительно устойчив к лизосомальному разложению и продолжает светиться даже в лизосомах. Ученые получили трансгенную линию мышей, нейроны мозга которых экспрессировали pHRed.

С помощью трехмерной электронной микроскопии с высоким разрешением авторы зафиксировали, как глия Бергмана «покусывала» синапсы, а также аксоны и дендриты в мозгу взрослых здоровых мышей. Затем ученые провели обучение животных — мыши выполняли двигательные упражнения. После этого глиальный фагоцитоз в тканях головного мозга был более интенсивным.

Фармакологическая блокада поглощения синапсов глиальными клетками с помощью Аннексина V ингибировала сокращение синапсов. Это приводило к потере приобретенных двигательных навыков. Судя по всему, глиальное поглощение играет важнейшую роль в структурных изменениях синапсов и перестройке нейронных связей в процессе закрепления памяти.

В конце исследователи определили, какие молекулы, связанные с фагоцитозом, экспрессируются в глии Бергмана. По их мнению, молекула ABCA1 — ортолог человеческого CED-7 — может быть связана с поглощением синапсов. Эта же молекула играет ключевую роль в поглощении апоптотических клеток у млекопитающих. Блокировка молекулы вызвала эффект, схожий с ингибированием глии с Аннексином.

«Наше открытие обеспечивает новый глиальный механизм синаптической пластичности, связывающий обучение и память. Возможно, фагоцитарная способность глии может варьироваться в зависимости от определенных состояний нашего сознания, и глия может играть ключевую роль в метапластичности формирования памяти», — сказал руководитель исследования профессор Ко Мацуи из лаборатории суперсетевой физиологии мозга Университета Тохоку.

Также ученые предполагают, что их открытия могут помочь объяснить, почему сокращение и потеря синапсов происходят при депрессии, шизофрении и болезни Альцгеймера.