Найти машину, которая трубит в гудок в плотном потоке, переключать каналы между футболом и триллером по телевизору, не теряя сюжета, и не забывать начало предложения к тому времени, когда мы дочитаем до конца – мы считаем все это быть нормальными повседневными функциями. Они позволяют нам реагировать на быстро меняющиеся обстоятельства и правильно выполнять даже сложные действия. Чтобы это работало, нейронные цепи в нашем мозгу должны быть очень гибкими. Ученые, работающие под руководством нейробиологов Нильса Броза и Эрвина Неера из Института экспериментальной медицины и биофизической химии Макса Планка в Геттингене, открыли важный молекулярный механизм, который превращает нейроны в настоящих мастеров адаптации.
Нейроны общаются друг с другом посредством специализированных межклеточных контактов, называемых синапсами. Во-первых, излучающий нейрон возбуждается и испускает химические посредники, известные как нейротрансмиттеры. Эти сигнальные молекулы затем достигают принимающей клетки и влияют на ее состояние активации. Процесс разряда передатчика очень сложен и строго регулируется. Его главными действующими лицами являются синаптические пузырьки, маленькие волдыри, окруженные мембраной, которые загружены нейротрансмиттерами и высвобождают их путем слияния с клеточной мембраной. Чтобы иметь возможность реагировать на стимуляцию в любое время, высвобождая передатчики, нейрон должен иметь определенное количество пузырьков, готовых к работе в каждом из его синапсов. Брозе годами изучает молекулярные основы этого хранилища.
Проблема не только академическая. "Количество немедленно высвобождаемых пузырьков в синапсе определяет его надежность," объясняет Брозе. "Если их слишком мало и они пополняются слишком медленно, соответствующий синапс очень быстро устает в условиях многократной активации. Обратное происходит, когда синапс может быстро заполнить свои немедленно доступные везикулы под давлением. Фактически, такой синапс может даже улучшиться при постоянной активации."
Эту синаптическую адаптивность можно наблюдать практически во всех нейронах. Он известен как краткосрочная пластичность и незаменим для большого количества чрезвычайно важных мозговых процессов. Без него мы не смогли бы локализовать звуки, математика в уме была бы невозможна, а скорость и гибкость, с которой мы могли бы изменить свое поведение и обратить внимание на новые цели, были бы потеряны.
Несколько лет назад Брозе и его команда обнаружили белок с загадочным названием Munc13. Этот белок не только незаменим для пополнения везикул для немедленного высвобождения в синапсах; активность нейронов регулирует это таким образом, что свежая поставка пузырьков может регулироваться в соответствии с потребностями. Это регулирование происходит с помощью комплекса, состоящего из сигнального белка кальмодулина и ионов кальция, которые накапливаются в синапсах во время интенсивной активности нейронов.
"Наша более ранняя работа с отдельными нейронами в чашках для культивирования показала, что комплекс кальций-кальмодулин активирует Munc13 и, следовательно, гарантирует, что немедленно высвобождаемые везикулы пополняются быстрее," говорит Ноа Липштейн, израильский ученый, приглашенный в лабораторию Брозе. "Но многие коллеги не были убеждены, что этот процесс также играет роль в нейронах неповрежденного мозга."
Итак, Липштейн и ее японский коллега Такеши Сакаба создали мутантную мышь с генетически измененными белками Munc13, которые не могли активироваться комплексами кальций-кальмодулин. Два нейрофизиолога сначала изучили влияние этой генетической манипуляции на синапсы, участвующие в локализации звука, которые обычно активируются несколько сотен раз в секунду. "Наше исследование показывает, что устойчивая эффективность синапсов в интактных нейронных сетях критически зависит от активации Munc13 комплексами кальций-кальмодулин," объясняет Липштейн.
Ученые из Геттингена убеждены в важности своего исследования. В конце концов, ведущие нейробиологи прошлого описали сенсор кальция, ответственный за синаптическую краткосрочную пластичность, и его целевой белок как Святой Грааль. "Я уверен, что мы обнаружили ключевой молекулярный механизм кратковременной пластичности, который играет роль во всех синапсах мозга, а не только в культивируемых нейронах, как считали многие коллеги," утверждает Липштейн. И если она действительно окажется права относительно интерпретации своих выводов, Munc13 может даже стать идеальной фармакологической мишенью для лекарств, влияющих на функцию мозга.