Para peneliti mengidentifikasi mekanisme neuroplastisitas baru yang terkait dengan pembelajaran dan memori

Neuron penting, tetapi bukan satu-satunya yang berperan dalam proses ini. "Tulang rawan" dalam bentuk gugusan molekul matriks ekstraseluler yang disebut kondroitin sulfat yang terletak di bagian luar sel saraf berperan penting dalam kemampuan otak untuk memperoleh dan menyimpan informasi.

Sebuah studi yang diterbitkan dalam jurnal Cell Reports menjelaskan mekanisme baru untuk plastisitas otak, atau bagaimana koneksi saraf berubah sebagai respons terhadap rangsangan eksternal. Makalah tersebut berjudul "Focal Clusters of the Perisynaptic Matrix Promote Activity-Dependent Plasticity and Memory in Mice."

Karya ini merupakan hasil kolaborasi antara Sekolah Kedokteran Harvard, Universitas Trento, dan Pusat Penyakit Neurodegeneratif Jerman (DZNE) di Magdeburg.

"Keterampilan sensorik dan kemampuan untuk memahami lingkungan sekitar bergantung pada aktivitas otak, yang memungkinkan kita untuk memahami dan memproses rangsangan dari dunia luar. Melalui otak, kita dapat memperoleh dan menyimpan informasi baru, serta mengingat informasi yang telah kita pelajari," kata Yuri Bozzi dan Gabriele Cellini.

"Fenomena menarik ini dimungkinkan oleh kemampuan otak untuk terus mengubah struktur dan efektivitas koneksi saraf (sinapsis) sebagai respons terhadap rangsangan eksternal. Kemampuan ini disebut plastisitas sinaptik. Memahami bagaimana perubahan sinaptik terjadi dan bagaimana perubahan tersebut berkontribusi pada pembelajaran dan memori merupakan salah satu tantangan utama dalam ilmu saraf."

Yuri Bozzi adalah seorang profesor di Universitas Trento dan salah satu penulis utama makalah tersebut. Gabriele Cellini adalah penulis pertama penelitian tersebut. Cellini mulai mengerjakan proyek ini pada tahun 2017 sebagai peneliti pascadoktoral di laboratorium Sabina Berretta (Rumah Sakit McLean dan Sekolah Kedokteran Harvard, Boston) dan menyelesaikan publikasi ilmiah tersebut saat bekerja sebagai peneliti pascadoktoral di laboratorium Bozzi di Universitas Trento.

Inti dari penelitian ini adalah kondroitin sulfat, molekul yang terkenal akan perannya dalam persendian yang juga memainkan fungsi penting dalam plastisitas otak, menjadi bagian integral matriks ekstraseluler otak, seperti yang awalnya ditemukan oleh kelompok Dr. Alexander Dityatev pada tahun 2001.

Pada tahun 2007, sebuah penelitian di Jepang menggambarkan keberadaan gugusan kondroitin sulfat, berbentuk bulat dan tersebar secara acak di seluruh otak. Namun, penelitian tersebut terlupakan hingga laboratorium ilmu saraf translasi Sabina Berretta membawa kembali struktur tersebut ke dalam sorotan ilmiah dengan mengganti namanya menjadi gugusan CS-6 (untuk kondroitin sulfat-6, yang mengidentifikasi komposisi molekulernya secara tepat) dan menunjukkan bahwa struktur tersebut terkait dengan sel glia dan sangat berkurang di otak orang-orang dengan gangguan psikotik.

Kemudian, pada tahun 2017, Gabriele Cellini, yang baru direkrut di laboratorium Berretta, ditugaskan untuk mengungkap fungsi gugusan ini.

"Kami pertama-tama memeriksa struktur ini secara terperinci, dan mengambil gambarnya pada resolusi yang sangat tinggi. Kami menemukan bahwa struktur tersebut pada dasarnya adalah gugusan sinapsis berlapis CS-6 yang terorganisasi menjadi bentuk geometris yang dapat dikenali dengan jelas. Kami kemudian mengidentifikasi jenis organisasi sinaptik yang baru," kata para ilmuwan.

"Pada titik ini kami harus sedikit 'bereksperimen secara kreatif'; dengan menggunakan kombinasi pendekatan perilaku, molekuler, dan morfologi yang canggih, kami menyadari bahwa senyawa yang terbungkus dalam gugus CS-6 berubah sebagai respons terhadap aktivitas listrik di otak."

"Akhirnya, berkat kerja sama dengan Alexander Dityatev dari DZNE Magdeburg dan upaya Hadi Mirzapurdelawar dari kelompoknya, kami mengurangi ekspresi CS-6 di hipokampus (wilayah otak yang bertanggung jawab untuk pembelajaran spasial) dan menunjukkan bahwa keberadaan CS-6 diperlukan untuk plastisitas sinaptik dan memori spasial," Bozzi dan Cellini menunjukkan.

"Penelitian ini membuka jalan bagi cara baru dalam memandang fungsi otak. Ada kemungkinan bahwa semua sinapsis yang terbentuk pada neuron yang berbeda dalam gugus CS-6 memiliki kemampuan untuk merespons rangsangan eksternal tertentu secara bersamaan dan berpartisipasi dalam fungsi umum yang ditujukan pada proses pembelajaran dan memori," catat mereka.

"Mereka tampaknya mewakili substrat baru untuk integrasi informasi dan pembentukan asosiasi pada tingkat multiseluler," tambah Dityatev dan Berretta.

Karya ini merupakan hasil kolaborasi beberapa laboratorium, termasuk Laboratorium Neurosains Translasional (Sabina Berretta; Rumah Sakit McLean - Sekolah Kedokteran Harvard, Boston), Laboratorium Penelitian Gangguan Perkembangan Saraf (Yuri Bozzi; CIMeC - Pusat Interdisipliner untuk Ilmu Otak, Universitas Trento) dan Laboratorium Neuroplastisitas Molekuler (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).