Два исследования, проведенные в Медицинском колледже Вейл Корнелл, раскрыли удивительные подробности сложного процесса, который приводит к потоку нейротрансмиттеров между нейронами мозга – танец химических сообщений, столь тонких, что ошибки часто приводят к неврологической дисфункции.
Недавнее исследование Nature Neuroscience, проведенное доктором. Тимоти Райан, профессор биохимии в Медицинском колледже Вейл Корнелл, демонстрирует, что отдельные нейроны каким-то образом контролируют скорость, с которой они перерабатывают синаптические пузырьки, в которых хранятся нейротрансмиттеры, до того, как они высвобождаются. Никто не ожидал, что нейроны будут иметь такую мощную "педаль газа," говорит доктор. Райан.
Доктор. Райан также является автором второго исследования под руководством Йельского университета, опубликованного сегодня в онлайн-издании Neuron. Это показывает, что общее понимание того, как белки помогают формировать эти ключевые везикулы хранения, ошибочно.
Эти два открытия помогают уточнить научное понимание биомеханики, которая контролирует нейротрансмиссию в синаптическом промежутке между нейронами мозга. Райан говорит.
"Мы впервые заглядываем под капот этих машин," он говорит. "Многие неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрения и другие нейродегенеративные и психические расстройства, считаются синапопатиями – патологиями синаптической функции. Поэтому для их ремонта необходимо, чтобы мы понимали, как они работают."
Оба исследования сосредоточены на синаптических везикулах, которые представляют собой пузырьковые структуры, которые хранят нейротрансмиттеры в двухслойной жировой мембране в синаптическом соединении.
Ученые знают, что для передачи сообщений нейротрансмиттера между клетками синаптический пузырь сливается с поверхностью клетки мозга в синапсе и передает сообщение. Затем эти синаптические пузырьки, которые находятся в ограниченном количестве, должны быть извлечены, восстановлены и заполнены нейротрансмиттерами. Райан говорит. "Несоблюдение этого правила может привести к тому, что синапс довольно быстро исчерпает везикулы, а правильная функция нейромедиатора зависит от их постоянной доступности."
Измерение скорости нейронов
Исследование Nature Neuroscience было разработано, чтобы посмотреть, что контролирует скорость процесса восстановления пузырьков. Эта скорость, которая определяет доступность везикул, долгое время считалась одним из ограничений того, насколько быстро нейроны могут непрерывно общаться, особенно в ситуациях с высокими требованиями. Райан говорит.
Чтобы изучить скорость этого процесса восстановления, старший автор Dr. Райан и первый автор Мориц Армбрустер, аспирант Рокфеллерского университета, работавший в Dr. Лаборатория Райана использовала инструмент, который делал оптические записи скорости рециклинга пузырьков в 84 различных нейронах.
Они обнаружили кое-что совершенно неожиданное – отдельный нейрон извлекает все свои синаптические везикулы практически с одинаковой скоростью. "Это как если бы нейрон подчинялся приказам центральной педали газа всей клетки," Доктор. Райан говорит. Они также обнаружили, что, хотя каждая клетка имела свою скорость восстановления везикул, эта скорость варьировалась в четыре раза для разных нейронов – даже если нейроны выполняли идентичные функции, такие как секретирование одного и того же нейромедиатора.
"Когда мы сравнивали разные нейроны, мы обнаружили, что каждая клетка говорит своим синапсам двигаться со своей скоростью," он говорит. "Остается загадкой, какова природа этой педали газа и может ли она иметь значение в терапевтических подходах к борьбе с синапопатиями."
Развенчание динаминовой теории синаптического восстановления
В исследовании Neuron изучались белки, участвующие в одной фазе процесса восстановления – отделение и отщипывание мембраны синаптического пузырька от мембраны нейрональной клетки. Его возглавил доктор. Пьетро де Камилли, профессор клеточной биологии и нейробиологии Йельского университета и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, и его коллега доктор. Шон Фергюсон, в настоящее время доцент кафедры клеточной биологии Йельского университета.
Основываясь на исследованиях 1980-х годов, исследователи полагали, что белок под названием динамин, который бывает трех форм (1, 2 и 3), имеет решающее значение для этого "деление мембраны" шаг в формировании пузырьков.
В 2007 году исследователи из Йельского университета проверили, был ли динамин 1, который представляет 90 процентов всего динамина в головном мозге, ключевым белком, участвующим в делении мембраны синаптических пузырьков. Они создали мышь, у которой не было белка, но обнаружили, что он вызывает лишь незначительные различия в процессе деления. Это удивительное открытие было опубликовано в журнале Science.
В новом исследовании исследовательская группа, в которую вошли доктора. Райан, мистер. Армбрустер и другие исследовали, что происходит, когда отсутствуют как динамин 1, так и динаминин 3, который составляет 99 процентов белка динамина. Они использовали те же оптические методы, что и в исследовании Nature Neuroscience, чтобы изучить скорость процесса извлечения синаптических пузырьков.
"Наши исследования показали, что восстановление в настоящее время серьезно ухудшается, когда у вас нет ни динамина 1, ни динамина 3, что показывает нам, что динамин 3 выполняет главную пресинаптическую функцию," Доктор. Райан говорит. "Примечательно, однако, что процесс извлечения все еще происходит, и неизвестно, может ли это быть связано с динамином 2, потому что этот белок составляет лишь крошечный процент белка динамина в головном мозге. Имеет смысл, что есть другой белок или биомеханический процесс, который способствует."
Динамин – это белок, который, как известно, играет важную роль в извлечении синаптических пузырьков. Наблюдение за тем, что синаптическая передача все еще может происходить, хотя и в значительной степени нарушенной, в отсутствие подавляющего большинства динамина, свидетельствует о замечательной и неожиданной пластичности нервных окончаний, говорит д-р. Де Камилли.