Rapid long-range synaptic remodeling in hyperacute ischemic stroke

半影 神经科学 突触可塑性 冲程(发动机) NMDA受体 神经传递 兴奋毒性 神经可塑性 突触 生物 医学 受体 缺血 内科学 机械工程 工程类
作者
Huanhuan Chen,Wei Ye,Luminiţa Ruje,Qi Wan,Mikhail Spivakov,Oleg O. Glebov
标识
DOI:10.1101/2024.12.12.628225
摘要

Abstract Physiological mechanisms of the key hyperacute (0-24 hours) stage of stroke remain incompletely understood, hampering development of new stroke therapies. Synaptic plasticity has been strongly implicated in early stages of neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. Here, we describe rapid region-specific patterns of synaptic remodeling in stroke, arising within 4 hours of onset. While the ischemic core exhibits profound structural and functional synaptic decline, synapses in the mildly ischemic penumbra largely retain their structure, decreasing synaptic function. Conversely, synapses in the contralateral cortex across the brain show widespread structural and functional increase. Mechanistically, hyperacute stroke triggers synaptic recruitment of NMDA receptors in the ischemic core and penumbra, while NMDA receptor blockade exacerbates structural synaptic decline in the penumbra and abolishes contralateral synaptic enhancement. Proteomic analysis confirms cross-brain synaptic strengthening and reveals emergence of metabolic rearrangement in the penumbra, while RNAseq indicates broad downregulation of synaptic gene expression in the penumbra. These findings identify brain-wide homeostatic synaptic rebalancing as a potential mechanism for rapid-response functional compensation in early stroke, highlighting the extent of brain resilience to acute perturbation. Highlights Stroke induces rapid long-range synaptic enhancement in the contralateral hemisphere NMDAR signaling orchestrates short and long-range synaptic remodeling in stroke Proteomics and RNAseq reveal details of region-specific synaptic remodeling eTOC blurb What happens to synaptic communication across the brain during the first hours of stroke is unclear. We find that while synapses at the center of the stroke quickly fall apart, those in the surrounding area are protected and those in the opposite hemisphere are rapidly strengthened by the activity of NMDA-type glutamate receptors.

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