Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MTI) sinirbilimciler, belirli sinapsların, hafıza oluşumu sırasında daha güçlü hale gelmesini sağlayan hücresel yolağı ortaya çıkardılar. Bulgular, hipokampüsün CA3 adı verilen bölümünde, uzun süreli belleğin oluşturulmasında rol alan moleküler mekanizmaya ilk bakışı sağladı.
Araştırmacılar, daha önce nöral aktiviteyle tetiklenen gen ifadesinin ana denetleyicisi olarak tanımlanan Npas4 adlı proteinin, CA3 bölgesindeki ve hipokampüsün başka bir bölümü olan denta girus (dentate gyrus) adı verilen bölgedeki nöron bağlantılarının dayanıklılığını kontrol ettiğini keşfetmişlerdi. Npas4 olmadan, uzun süreli bellek oluşumu mümkün değildi.
Beyin ve bilişsel bilimler alanında doçent ve MIT McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nün bir üyesi olan Yingxi Lin, “Çalışmamız CA3 bölgesindeki bellek kodlamasının deneyime bağımlı sinaptik mekanizmalarını tanımlıyor ve bu mekanizmayı düzenleyen moleküler yolun ilk kanıtını sunuyor” diyor.
Lin, Neuron dergisinin Şubat sayısında çıkan çalışmanın kıdemli yazarı. Makalenin başyazarı ise, McGovern Enstitüsü’nden araştırmacı Feng-Ju (Eddie) Weng’dir.
Sinaptik direnç
Sinirbilimciler, beynin anıları oluştururken sinapsların direncini ya da nöronlar arasındaki bağlantıları değiştirdiğini uzun süredir biliyorlardı. Bu mekanizma, bir olay hakkında bilgi gönderen pre-sinaptik nöronlar ve bilgiyi alan post-sinaptik nöronlarda bulunan birçok proteinin etkileşimini gerektiriyor.
Bağlamsal bellek; bir olay ile gerçekleştiği yer ya da zaman ve o an bulunulan duygu durumu gibi diğer bağlamsal kavramlar arasında ilişki kurar. CA3 bölgesindeki nöronlar, işte bu bağlamsal belleğin oluşmasında kritik rol oynarlar. Bu nöronlar üç farklı yoldan sinaptik ileti alırlar. Bilim insanları, bu iletilerden biri olan ve denta girus adı verilen bölgeden gelen iletinin bağlamsal belleğin işlenmesinde kritik olduğu hipotezini zaten öne sürmüşlerdi. Ancak, bu bilgilerin nasıl işlendiğine dair mekanizma bilinmiyordu.
2011’de yayımlanan bir çalışmada, Lin ve meslektaşları, yeni deneyimlerden hemen sonra aktif hale gelen Npas4 geninin, uzun süreli bellek oluşumu için gerekli olan gen ifadesinin ana denetleyicisi gibi davrandığını keşfettiler. Buna ek olarak, Npas4 geninin öğrenme sırasında en çok hipokampüsün CA3 bölgesinde aktif olduğunu buldular. Bu aktifliğin, bağlamsal korku koşullandırması olarak bilinen bir çalışma sırasında, ihtiyaç duyulan hızlı bağlamsal öğrenme için gerekli olduğu zaten biliniyordu. Bu çalışmada, koşullandırma aşamasında fareye, belirli bir odaya girip o odada dolaştıklarında hafif bir elektrik şoku verilir. Birkaç dakika içinde, fare o odadan korkmayı öğrenir ve eğer odaya tekrar girerse donup kalır.
Araştırmacılar Npas4 genini etkisiz hale getirdiklerinde, farenin ona korku veren olayı hatırlamadığını buldular. Ayrıca, sadece hipokampüsün CA3 bölgesindeki Npas4 genini etkisiz hale getirdiklerinde de, aynı sonuca ulaştıklarını fark ettiler. Buna rağmen, aynı genin hipokampüsün diğer bölümlerinde etkisiz hale getirilmesi, bellek üzerinde hiçbir etkiye sahip değildi.
Yeni çalışmada, araştırmacılar Npas4 geninin etkilerinin nasıl oluştuğuna dair daha fazla detayı ortaya çıkardılar. Lin ve ekibi daha öncesinde, korku koşullandırması sırasında aktif hale gelen CA3 nöronlarını floresanla etiketlemeyi mümkün hale getiren bir metot geliştirmişlerdi. Aynı korku koşullandırması yöntemini kullanarak, araştırmacılar öğrenme sırasında CA3 nöronlarına gelen belirli sinaptik iletilerin güçlendiğini, fakat diğerlerinde böyle bir etki olmadığını gösterdiler. Dahası, sinaptik iletilerdeki bu güçlenme Npas4 genini gerektirmekteydi.
Seçici olarak güçlendirilmiş iletiler, hipokampüsün denta girus (dentate gyrus) adı verilen başka bir bölümünden gelir. Bu iletiler, korku deneyiminin yaşandığı bölge hakkında bilgi içerirler.
Npas4 geni olmadan, denta girus bölgesinden CA3 bölgesine gelen sinapslar güçlenememekte ve fare olayın anısını oluşturamamaktaydı. Daha sonra yapılan deneyler, bu güçlenmenin daha önceden oluşturulmuş anının geri getirilmesinde değil de, özellikle yeni bellek oluşumunda gerekli olduğunu ortaya çıkardı. Ayrıca araştırmacılar, Npas4 kaybının CA3 nöronlarının diğer kaynaklardan aldığı sinaptik iletileri etkilemediğini buldu.
Sinaptik korunum
Araştırmacılar ayrıca, sinaps direnci üzerine etki etmesini sağlayan, Npas4 geninin kontrol ettiği genlerden birini tanımladılar. plk2 olarak bilinen bu gen, post-sinaptik yapıları daraltmakta görev alıyor. Npas4, plk2 genini aktif hale getiriyor ve bu sayede, sinaps boyutunu ve direncini azaltıyor. Bu, aslında Npas4 geninin kendisinin sinapsları güçlendirmediğini, ancak sinapsların gerektiğinde güçlenmesine olanak verecek bir durumda kalmalarını sağladığını düşündürmektedir. Npas4 geni olmadan, sinapslar çok güçlü hale gelir ve bu durumda daha fazla güçlendirilip hafıza oluşturmak için tetiklenemez.
Lin, “Npas4 genini çıkardığınızda, sinaptik güç neredeyse doygun hale gelmekte” diyor ve devam ediyor, “Öğrenme gerçekleştiğinde, hafıza oluşturan hücreler floresanla etiketlense bile, artık bu bağlantıların güçlendiğini göremezsiniz.”
Lin, gelecekteki çalışmalarında, denta girus bölgesi ile CA3 bölgesini bağlayan devrenin hatırlamak için gerekli diğer mekanizmalarla nasıl etkileşime girdiğini incelemeyi umuyor. “Farklı mekanizmalar arasında bir şekilde çoklu erişim var; bu sebeple bilgi bir kere hafızaya alındıktan sonra başka iletiler ile geri getirilebilir” diye ekliyor.
