تتواصل الخلايا العصبية مع بعضها البعض عند نقاط الوصل التي تسمى المشابك العصبية. عندما تنتقل أيونات الكالسيوم إلى "المناطق النشطة"، التي تمتلئ بحويصلات تحتوي على رسائل كيميائية، فإنها تبدأ في "التواصل". "تندمج" الحويصلات مع الأغشية الخارجية للخلايا العصبية قبل المشبكي بسبب الكالسيوم المشحون كهربائيًا، مما يؤدي إلى إطلاق حمولتها الكيميائية للاتصالات إلى الخلية بعد المشبكي.
دراسة جديدة أجراها معهد بيكاور للتعلم والذاكرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يكشف كيف تقوم الخلايا العصبية بإعداد هذه البنية التحتية الحيوية والحفاظ عليها.
تعد قنوات الكالسيوم جزءًا مهمًا من المحرك الموجود على الجانب قبل المشبكي الذي يحول الإشارات الكهربائية إلى انتقال متشابك كيميائي نظرًا لأنها المحدد الأساسي لتدفق الكالسيوم، والذي يسبب بعد ذلك اندماج الحويصلة. ومع ذلك، فإن كيفية تراكمها في المناطق النشطة لم تكن واضحة.
تقدم هذه الدراسة الجديدة أدلة حول كيفية تراكم المناطق النشطة وتنظيم وفرة قنوات الكالسيوم.
وقال تروي ليتلتون، أحد كبار مؤلفي الدراسة الجديدة وأستاذ علم الأعصاب في مينيكون في أقسام علم الأحياء وعلوم الدماغ والإدراك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "من المعروف أن تعديل وظيفة قنوات الكالسيوم قبل المشبكي له تأثيرات سريرية كبيرة. من المهم فهم خط الأساس لكيفية تنظيم هذه القنوات.
هل قنوات الكالسيوم ضرورية لتطور المناطق النشطة؟
أراد العلماء تحديد إجابة هذا السؤال في اليرقات. تجدر الإشارة إلى أن جين قناة الكالسيوم في الذبابة (يسمى "نشاز" أو Cac) مهم جدًا لدرجة أنهم لا يستطيعون العيش بدونه.
بدلًا من القضاء على الكوكا على كامل الذبابة، استخدم العلماء تقنية للقضاء على الكاكا في مجموعة واحدة فقط من الذبابة الخلايا العصبية. لقد أثبتوا أن المناطق النشطة تتطور بانتظام حتى بدون Cac من خلال القيام بذلك.
كما استخدموا أيضًا تقنية أخرى تعمل على إطالة مرحلة يرقات الذبابة بشكل مصطنع. ووجدوا أنه مع مرور الوقت الإضافي، ستستمر المنطقة النشطة في بناء بنيتها باستخدام بروتين يسمى BRP، لكن تراكم الكالسيوم يتوقف بعد الأيام الستة الطبيعية.
وقد وجد أيضًا أن الزيادات أو النقصان المعتدل في إمداد Cac المتوفر في الخلية العصبية لم يؤثر على كمية Cac التي انتهى بها الأمر في كل منطقة نشطة. ولدهشتهم، وجدوا أنه على الرغم من أن عدد CAC يتم قياسه مع حجم كل منطقة نشطة، إلا أنه نادرًا ما يتغير إذا قاموا بتقليل BRP بشكل كبير في المنطقة النشطة. في الواقع، يبدو أن الخلية العصبية تضع حدًا أقصى ثابتًا لكمية Cac الموجودة في كل منطقة نشطة.
قالت كارين كننغهام، باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "لقد كان الأمر واضحًا أن الخلايا العصبية لديها قواعد مختلفة تمامًا بالنسبة للبروتينات الهيكلية في المنطقة النشطة مثل BRP التي استمرت في التراكم بمرور الوقت، مقابل قناة الكالسيوم التي تم تنظيمها بإحكام وكانت وفرتها محدودة."
إلى جانب عرض Cac أو التغيرات في BRP، هناك عوامل أخرى يجب أن تنظم مستويات Cac بشكل محكم. لقد تحولوا إلى alpha2delta.
ومن خلال التلاعب الوراثي في التعبير عن كميته، وجد العلماء أن مستويات alpha2delta تحدد بشكل مباشر مقدار Cac المتراكم في المناطق النشطة. كشفت تجارب أخرى أيضًا أن إجمالي إمداد الخلايا العصبية بـ Cac يراقب قدرة alpha2delta على الحفاظ على مستويات Cac.
ويشير إلى أنه بدلاً من التحكم في كمية Cac في المناطق النشطة من خلال تثبيتها، من المحتمل أن تعمل alpha2delta في المنبع، أثناء تهريب Cac، لتزويد وإعادة إمداد Cac إلى المناطق النشطة.
وباستخدام تقنيتين مختلفتين، لاحظوا إعادة الإمداد هذه. كما قاموا بإنشاء قياسات له وتوقيته.
اختار كانينغهام لحظة بعد بضعة أيام من التطوير لتصوير المناطق النشطة وقياس وفرة الكالسيوم للتأكد من المناظر الطبيعية. ثم قامت بتبييض مضان Cac لمحوه. وبعد 24 ساعة، تصورت مضان Cac من جديد لتسليط الضوء فقط على Cac الجديد الذي تم تسليمه إلى المناطق النشطة خلال تلك الـ 24 ساعة.
ولاحظت أنه تم تسليم Cac في جميع المناطق النشطة تقريبًا في ذلك اليوم. ومع ذلك، كان العمل في ذلك اليوم، في الواقع، ضئيلًا مقارنة بالتراكم في الأيام السابقة. ورأت أيضًا أن المناطق النشطة الأكبر حجمًا تراكمت بها كمية أكبر من الكالسيوم مقارنة بالمناطق الأصغر حجمًا. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن هناك أي تسليم CAC جديد تقريبًا في نماذج الطيران alpha2delta المعدلة.
كانت المهمة التالية هي تحديد السرعة التي تتم بها إزالة قنوات Cac من المناطق النشطة. وللقيام بذلك، استخدم العلماء تقنية الصبغ باستخدام بروتين قابل للتحويل ضوئيًا يسمى Maple مرتبط ببروتين Cac. سمح لهم ذلك بتغيير اللون بوميض من الضوء في الوقت الذي اختارته.
يؤدي القيام بذلك إلى إظهار مقدار Cac المتراكم خلال وقت محدد (كما هو موضح باللون الأخضر) ثم يومض الضوء لتحويل Cac إلى اللون الأحمر. وبعد خمسة أيام، تم استبدال ما يقرب من 30 بالمائة من CAC الأحمر بـ CAC الأخضر الجديد. توقف معدل دوران Cac عندما انخفضت مستويات توصيل Cac عن طريق تحور دلتا alpha2 أو تقليل التخليق الحيوي لـ Cac.
وقال كننغهام، "وهذا يعني أنه يتم تسليم كمية كبيرة من Cac كل يوم في المناطق النشطة وأن معدل الدوران يتم تحفيزه من خلال تسليم Cac جديد."
يتلتون محمد, "الآن بعد أن أصبحت قواعد وفرة قنوات الكالسيوم وتجديدها واضحة، أريد أن أعرف كيف تختلف عندما تخضع الخلايا العصبية للمرونة - على سبيل المثال عندما تتطلب المعلومات الواردة الجديدة من الخلايا العصبية ضبط اتصالاتها لتوسيع نطاق الاتصال المتشابك أو خفضه."
"أنا أيضًا حريص على تتبع قنوات الكالسيوم الفردية أثناء تصنيعها في جسم الخلية ثم الانتقال إلى أسفل المحور العصبي إلى المناطق النشطة، وهو يريد تحديد الجينات الأخرى التي قد تؤثر على وفرة Cac."
المرجع مجلة:
- كارين إل كننغهام، تشاد دبليو سوفولا، سارة تافانا، جي تروي ليتلتون. تنظيم وفرة قناة Ca2 + قبل المشبكية في المناطق النشطة من خلال توازن التسليم والدوران. علم الأعصاب. دوى: 10.7554 / eLife.78648
