Dendritic contributions to neuronal and synaptic memory allocation

Είναι γενικά αποδεκτό ότι ο οι μνήμες αποθηκεύονται με διάσπαρτο τρόπο στον εγκέφαλο. Η μακρόχρονη αποθήκευση της μνήμης πιστεύεται ότι λαμβάνει χώρα μέσω της ενδυνάμωσης και αποδυνάμωσης των συναπτικών συνδέσεων μεταξύ νευρώνων. Πρόσφατες έρευνες έχουν αρχίσει να εξερευνούν τους μηχανισμούς μέσω των οποίων γίνονται αυτές οι συνδέσεις, και να ταυτοποιούν το βιοφυσικό υπόστρωμα στο οποίο αποθηκεύονται συγκεκριμένες μνήμες, το ονομαζόμενο μνημονικό έγγραμμα ή ίχνος. Οι έρευνες αυτές έχουν ταυτοποιήσει ποικίλους διαφορετικούς μηχανισμούς, από το μοριακό ως το επίπεδο του νευρωνικού δικτύου, οι οποίοι καθορίζουν την μνημονική αποθήκευση. Παρ’ όλη την πρόσφατη πρόοδο για την ανακάλυψη των μηχανισμών μνήμης, δεν υπάρχει ακόμα μια ολοκληρωμένη θεωρία που να μπορεί να εξηγήσει τα πειραματικά ευρήματα σχετικά με τη μνήμη και να μπορεί να προβλέψει τη δομή των μνημονικών εγγραμμάτων.Σε αυτή την διατριβή παρουσιάζουμε μια πρότυπη προσέγγιση στην μοντελοποίηση της διαδικασίας της πρόσκτησης μνήμης που λαμβάνει υπόψιν της πολλαπλά πειραματικώς επιβεβαιωμένα φαινόμενα. Εφαρμόζουμε το μοντέλο αυτό σε συγκεκριμένα καλά μελετημένα πειραματικά πρωτόκολλα μνήμης και το χρησιμοποιούμε για να προβλέψουμε την εσωτερική δομή των εγγραμμάτων μνήμης σε πολλαπλές χωρικές κλίμακες, από την κλίμακα των συνάψεων ως την κλίμακα του νευρωνικού δικτύου. Προκειμένου να δημιουργήσουμε ένα ενοποιημένο υπόβαθρο για τη μελέτη της πρόσκτησης μνήμης, εισάγουμε πολλαπλούς μηχανισμούς και κανόνες σχετικούς με την παγιοποίηση της μακρόχρονης μνήμης. Σε αυτούς τους μηχανισμούς συγκαταλέγονται οι μηχανισμοί για την δέσμευση πρωτεϊνών από συνάψεις σύμφωνα με το μοντέλο "συναπτικής σήμανσης και δέσμευσης", ο μηχανισμός δενδριτικής αλλαγής της διεγερσιμότητας των νευρώνων, καθώς και οι συνέπειες των ομοιοστατικών μηχανισμών και η επίδραση των κατασταλτικών νευρώνων. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό είναι ότι μελετάμε τις συνέπειες της δενδριτικής διαμερισματοποίησης των νευρώνων, που είναι γνωστό ότι επηρεάζει τις ιδιότητες της μνήμης, υλοποιώντας κανόνες που αντιστοιχούν σε δενδριτικά φαινόμενα στους νευρώνες του μοντέλου. Αρχικά, χρησιμοποιώντας το μοντέλο, δείχνουμε ότι η υποκυτταρική δομή των εγγραμμάτων μνήμης, που αποτελείται από την κατανομή συνάψεων σε συγκεκριμένους νευρώνες και σε συγκεκριμένους δενδριτικούς κλάδους, εξαρτάται από την διαθεσιμότητα πρωτεϊνών στους δενδρίτες και από το ιστορικό ενεργοποίησης του νευρώνα, το οποίο επηρεάζει τη διεγερσιμότητά του. Επιπλέον, βρίσκουμε ότι οι συνάψεις τείνουν να ενδυναμώνονται κατά ομάδες δημιουργώντας συστάδες συνάψεων. Στη συνέχεια επεκτείνουμε το μοντέλο στη μελέτη περισσότερων από μία μνημών και βρίσκουμε ότι οι νευρωνικοί πληθυσμοί που αντιπροσωπεύουν τις διαφορετικές μνήμες είναι αλληλοεπικαλυπτόμενοι. Με χρήση του μοντέλου, προβλέπουμε την αλληλοεπικάλυψη ως συνάρτηση του χρόνου. Τέλος, εξετάζουμε το ρόλο της ανακατάταξης συναπτικών συνδέσεων (η οποία γίνεται συνεχώς στον εγκέφαλο) , στην μνημονική αποθήκευση.