Så kan molekyler ”minnas” och bidra till minne och inlärning

En av hjärnans superkrafter är förmågan att lära från tidigare erfarenheter och skapa minnen. Grunden för dessa livsnödvändiga processer är att kopplingar mellan nervceller i hjärnan omformas. Nervkopplingarna, som kallas synapser, förstärks eller försvagas under hela livet på ett sätt som gör att hjärnan på sättet och vis ständigt format om på cellnivå. Detta fenomen kallas synaptisk plasticitet.

Det finns flera processorer som bidrar till synaptisk plasticitet i nervsystemet. En av processerna har att göra med en typ av molekyler som heter kalciumjonkanaler, som länge har intresserat forskarna vid Linköpings universitet.

– Jag vill avslöja de här jonkanalenas hemliga liv. Kalciumjonkanaler har väldigt viktiga funktioner i kroppen – genom att öppna och stänga av reglerna för bland annat signalering mellan nervceller. Men dessutom har dessa molekyler också ett slags eget minne och kan minnas tidigare nervsignalering, säger Antonios Pantazis, universitetslektor vid Institutionen för biomedicinska och kliniska vetenskaper vid LiU, som har lät studera.

I den aktuella studien har de studerat en specifik typ av jonkanal, CaV2.1-kanalen, som är den vanligaste kalciumjonkanalen i hjärnan.

Jonkanalen finns vid synapsen längst ut i ändan på nervcellen.              När det kommer en elektrisk signal genom nervcellen öppnas jonkanalen, vilket sätter i gång en process som leder till att en signalsubstans släpps ut i den mottagande nervcellen i synapsen. CaV2.1-jonkanalerna fungerar på så sätt som portvakter för cell-till-cell-kommunikationen mellan nervcellerna.

När den elektriska aktiviteten i nervcellen pågår länge minskar antalet jonkanaler som kan öppnas. Effekten blir att mindre signalsubstans utsöndras och signalerar till den mottagande nervcellen blir svagare. Det är som om jonkanalerna kan ”minnas” tidigare signalering och svarar med att inte kunna öppnas. Fram tills nu har forskare inte vetat hur detta sker på molekylär nivå.

Nu har Linköpingsforskarna upptäckt en mekanism för hur jonkanalen kan ”minnas”.

Kanalen är en stor molekyl som är uppbyggd av flera ihopkopplade delar, som kan röra sig i förhållande till varandra som svarar på elektriska signaler. De upptäckte att jonkanalen kan anta nästan 200 olika former beroende på hur stark och hur långvarig signalen är.

– Vi tror att vid ihållande elektriska nervsignalering kopplar en viktig del av molekylen bort sig från kanalöppningen, på liknande sätt som kopplingsspedalen i en bilbryter kopplingen mellan motorn och hjulen. Då kan jonkanalen inte längre öppnas. När hundratals signaler kommer under lång tid, kan de försätta de flesta jonkanalerna i detta ”frånkopplade minnestillstånd” i flera sekunder, säger Antonios Pantazis.

Att ihållande nervsignalering kan leda till att överföringen av signalen försvagas kan verka motsägelsefullt. Forskarna vet inte varför det är så, men en tänkbar förklaring är att det är ett sätt att skydda nervsystemet om en nervcellssignalerar alltför intensivt.

Men om jonkanalen kan bara ”minnas” under ett par sekunder, hur kan det bidra till livslångt lärande? Jo, denna typ av kollektiva minne i jonkanalerna kan ackumuleras över tid och minska kommunikationen mellan två nervceller. Det leder till förändringar i den mottagande nervcellen, som varar i timmar eller dagar. På sikt ger det långvariga förändringar i hjärnan, som att försvagade synapser försvinner.

– På så sätt kan ett ”minne” som varar under några sekunder i en enskild molekyl ge ett litet bidrag till en persons minne som varar under en livstid, säger Antonios Pantazis.

Ökad kunskap om hur dessa kalciumjonkanaler fungerar kan bidra till behandling av vissa sjukdomar. Det finns många varianter av gener som producerar CaV2.1-kanalen, CACNA1A, som är kopplade till sällsynta men allvarliga neurologiska sjukdomar som ofta går i arv i familjer. För att utveckla läkemedel mot dessa hjälper det att veta vilken del av den stora jonkanalen som ska påverkas och på vilket sätt dess aktivitet ska ändras.

– Vårt arbete pekar ut vilken del av proteinet som nya läkemedel borde riktas mot, säger Antonios Pantazis.

Artikel: "A rich conformational palette underlies human CaV2.1-channel availability", Kaiqian Wang, Michelle Nilsson, Marina Angelini, Riccardo Olcese, Fredrik Elinder och Antonios Pantazis, (2025), Nature Communications, publicerad 23 april 2025, doi: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58884-2

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Wallenberg center för molekylär medicin vid Linköpings universitet, Hjärnfonden, Hjärt-Lungfonden, Lions Forskningsfond mot Folksjukdomar och NIH.

Källa: Linköpings universitet.