Люди и большинство млекопитающих могут с поразительной остротой определять пространственное происхождение звуков. Мы используем эту способность постоянно – переходя улицу; обнаружение невидимого звонящего сотового телефона в загроможденной спальне. Чтобы совершать это маленькое ежедневное чудо, мозг разработал схему, достаточно быструю, чтобы обнаруживать крошечную задержку, которая возникает между моментом, когда слуховая информация достигает одного из наших ушей, и моментом, когда она достигает другого. Вдохновителем этой схемы является "Чашечка Хельда," самый большой известный синапс в головном мозге. Ученые EPFL выяснили, какую роль играет определенный белок в инициировании роста этих гигантских синапсов.
Открытие, опубликованное в журнале Nature Neuroscience, также может помочь пролить свет на ряд психоневрологических расстройств.
Огромные синапсы обеспечивают более быстрое общение
Обычно нейроны имеют тысячи точек контакта, известных как синапсы, с соседними нейронами. В течение заданного периода времени нейрон должен получить несколько сигналов от своих соседей, чтобы иметь возможность выдать свой собственный сигнал в ответ. Из-за этого информация передается от нейрона к нейрону относительно случайным образом.
В слуховой части мозга дело обстоит иначе. Синапсы часто вырастают до чрезвычайно больших размеров, и эти чудовища известны как "Чашечка Хельда" синапсы. Поскольку у них есть сотни точек соприкосновения, они способны самостоятельно передавать сигнал соседнему нейрону. "Это почти как одноранговое общение между нейронами," объясняет профессор EPFL Ральф Шнеггенбургер, который руководил исследованием. В результате информация обрабатывается чрезвычайно быстро, за несколько долей миллисекунды, вместо более медленного темпа, превышающего 10 миллисекунд, который имеет место в большинстве других нейронных цепей.
Определение белка
Чтобы выделить белок, ответственный за контроль роста этого гигантского синапса, ученым пришлось провести кропотливое исследование. Используя методы анализа экспрессии генов у мышей, они идентифицировали несколько членов группы "BMP" семейство белков из более чем 20000 возможных кандидатов.
Чтобы убедиться, что они действительно идентифицировали правильный белок, исследователи отключили рецепторы белка BMP в слуховой части мозга мыши. "Результирующий электрофизиологический сигнал Чашечки Хельда был значительно изменен," объясняет Ле Сяо, первый автор исследования. "Это предполагает большую анатомическую разницу."
Затем ученые реконструировали синапсы в трех измерениях из срезов, которые наблюдались под электронным микроскопом. Вместо единственной массивной чашечки Held, которая будет охватывать почти половину нейрона, на трехмерном изображении нейрона четко видны несколько синапсов меньшего размера. "Это показывает, что процесс с участием белка BMP не только вызывает рост одного синапса, но также выполняет отбор, устраняя другие," говорит Шнеггенбургер.
Синаптическая связь, ключ ко многим психиатрическим головоломкам
Влияние этого исследования выйдет далеко за рамки нашего понимания слуховой системы. Результаты показывают, что белок BMP играет важную роль в развитии связи в головном мозге. Шнеггенбургер и его коллеги в настоящее время исследуют его роль в другом месте мозга. "Некоторые психоневрологические расстройства, такие как шизофрения и аутизм, характеризуются аномальным развитием синаптических связей в определенных ключевых частях мозга," объясняет Шнеггенбургер. Выявив и объяснив роль различных белков в этом процессе, ученые надеются пролить больше света на эти плохо изученные нарушения.