Οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους σε συνδέσεις που ονομάζονται συνάψεις. Όταν τα ιόντα ασβεστίου μετακινούνται σε «ενεργές ζώνες», οι οποίες είναι γεμάτες με κυστίδια που περιέχουν χημικά μηνύματα, αρχίζουν να «επικοινωνούν». Τα κυστίδια «συντήκονται» στις εξωτερικές μεμβράνες των προσυναπτικών νευρώνων λόγω του ηλεκτρικά φορτισμένου ασβεστίου, απελευθερώνοντας το χημικό φορτίο επικοινωνίας τους στο μετασυναπτικό κύτταρο.
Μια νέα μελέτη από το Picower Institute for Learning and Memory στο MIT αποκαλύπτει πώς οι νευρώνες στήνουν και συντηρούν αυτή τη ζωτική υποδομή.
Τα κανάλια ασβεστίου είναι ένα κρίσιμο μέρος του κινητήρα στην προσυναπτική πλευρά που μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε χημική συναπτική μετάδοση, καθώς είναι ο κύριος καθοριστικός παράγοντας της εισροής ασβεστίου, η οποία στη συνέχεια προκαλεί σύντηξη κυστιδίων. Ωστόσο, το πώς συσσωρεύονται σε ενεργές ζώνες ήταν ασαφές.
Αυτή η νέα μελέτη προσφέρει ενδείξεις για το πώς οι ενεργές ζώνες συσσωρεύονται και ρυθμίζουν την αφθονία των καναλιών ασβεστίου.
Ο Troy Littleton, ανώτερος συγγραφέας της νέας μελέτης και καθηγητής Neuroscience Menicon στα τμήματα Βιολογίας και Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών του MIT, είπε: «Η ρύθμιση της λειτουργίας των προσυναπτικών διαύλων ασβεστίου είναι γνωστό ότι έχει σημαντικά κλινικά αποτελέσματα. Η κατανόηση της βασικής γραμμής του τρόπου με τον οποίο ρυθμίζονται αυτά τα κανάλια είναι σημαντική».
Είναι απαραίτητα τα κανάλια ασβεστίου για την ανάπτυξη ενεργών ζωνών;
Οι επιστήμονες ήθελαν να προσδιορίσουν την απάντηση σε αυτό το ερώτημα στις προνύμφες. Πρέπει να σημειωθεί ότι το γονίδιο του καναλιού ασβεστίου της μύγας (που ονομάζεται «κακοφωνία» ή Cac) είναι τόσο σημαντικό που δεν μπορούν να ζήσουν χωρίς αυτό.
Αντί να εξαλείψουν το Cac σε ολόκληρη τη μύγα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική για να εξαλείψουν το Cac σε έναν μόνο πληθυσμό νευρώνες. Έδειξαν ότι οι ενεργές ζώνες αναπτύσσονται τακτικά ακόμη και χωρίς Cac κάνοντας αυτό.
Χρησιμοποίησαν επίσης μια άλλη τεχνική που παρατείνει τεχνητά το στάδιο της προνύμφης της μύγας. Διαπίστωσαν ότι, δεδομένου του επιπλέον χρόνου, η ενεργή ζώνη θα συνεχίσει να δημιουργεί τη δομή της με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται BRP, αλλά η συσσώρευση Cac σταματά μετά τις κανονικές έξι ημέρες.
Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι μέτριες αυξήσεις ή μειώσεις στην παροχή διαθέσιμου Cac στον νευρώνα δεν επηρέασαν πόσο Cac κατέληξε σε κάθε ενεργή ζώνη. Προς έκπληξή τους, διαπίστωσαν ότι αν και ο αριθμός των Cac κλιμακώθηκε με το μέγεθος κάθε ενεργής ζώνης, δεν άλλαζε σχεδόν καθόλου εάν μείωναν σημαντικά το BRP στην ενεργή ζώνη. Στην πραγματικότητα, ο νευρώνας φάνηκε να δημιουργεί ένα σταθερό όριο στην ποσότητα Cac που υπάρχει για κάθε ενεργή ζώνη.
Η μεταδιδάκτορας του MIT Karen Cunningham είπε, «Ήταν αποκαλυπτικό ότι ο νευρώνας είχε πολύ διαφορετικούς κανόνες για τις δομικές πρωτεΐνες στην ενεργή ζώνη, όπως το BRP που συνέχιζε να συσσωρεύεται με την πάροδο του χρόνου, έναντι του καναλιού ασβεστίου που ήταν στενά ρυθμισμένο και είχε περιορισμένη αφθονία».
Εκτός από την παροχή Cac ή τις αλλαγές στο BRP, άλλοι παράγοντες πρέπει επίσης να ρυθμίζουν τόσο αυστηρά τα επίπεδα Cac. Γύρισαν στο alpha2delta.
Χειρίζοντας γενετικά την έκφραση της ποσότητας του, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα επίπεδα άλφα2δέλτα καθόρισαν άμεσα πόσο Cac συσσωρεύτηκε στις ενεργές ζώνες. Περαιτέρω πειράματα αποκάλυψαν επίσης ότι η συνολική παροχή Cac του νευρώνα παρακολουθεί την ικανότητα του alpha2delta να διατηρεί τα επίπεδα Cac.
Υποδηλώνει ότι αντί να ελέγχεται η ποσότητα Cac σε ενεργές ζώνες σταθεροποιώντας την, το alpha2delta πιθανότατα λειτούργησε ανάντη, κατά τη διάρκεια της διακίνησης Cac, για την παροχή και τον ανεφοδιασμό Cac σε ενεργές ζώνες.
Χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές τεχνικές, παρατήρησαν αυτόν τον ανεφοδιασμό. Δημιούργησαν επίσης μετρήσεις του και του χρονισμού του.
Ο Κάνινγκχαμ επέλεξε μια στιγμή μετά από μερικές ημέρες ανάπτυξης για να απεικονίσει ενεργές ζώνες και μέτρησε την αφθονία Cac για να εξακριβώσει το τοπίο. Έπειτα άσπραξε αυτόν τον φθορισμό Cac για να τον σβήσει. Μετά από 24 ώρες, οραματίστηκε εκ νέου τον φθορισμό Cac για να τονίσει μόνο το νέο Cac που παραδόθηκε σε ενεργές ζώνες μέσα σε αυτό το 24ωρο.
Παρατήρησε ότι το Cac παραδόθηκε σε όλες σχεδόν τις ενεργές ζώνες εκείνη την ημέρα. Ωστόσο, αυτή η εργασία μιας ημέρας ήταν, στην πραγματικότητα, ασήμαντη σε σύγκριση με τη συσσώρευση των προηγούμενων ημερών. Είδε επίσης ότι οι μεγαλύτερες ενεργές ζώνες συσσώρευαν περισσότερο Cac από τις μικρότερες. Επιπλέον, δεν υπήρχε σχεδόν καμία νέα παράδοση Cac στα τροποποιημένα μοντέλα μύγας alpha2delta.
Η επόμενη εργασία ήταν να προσδιοριστεί με ποιο ρυθμό αφαιρούνται τα κανάλια Cac από τις ενεργές ζώνες. Για να το κάνουν αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική χρώσης με μια φωτομετατρέψιμη πρωτεΐνη που ονομάζεται Maple και φέρει ετικέτα στην πρωτεΐνη Cac. Αυτό τους επέτρεψε να αλλάξουν το χρώμα με μια λάμψη φωτός την ώρα που είχε επιλέξει.
Κάνοντας αυτό δείχνει πόση Cac συσσωρεύτηκε σε μια συγκεκριμένη ώρα (εμφανίζεται με πράσινο χρώμα) και στη συνέχεια αναβοσβήνει το φως για να γίνει κόκκινο το Cac. Μετά από πέντε ημέρες, σχεδόν το 30 τοις εκατό του κόκκινου Cac είχε αντικατασταθεί με νέο πράσινο Cac. Αυτός ο κύκλος εργασιών Cac σταμάτησε όταν τα επίπεδα παροχής Cac μειώθηκαν με μετάλλαξη του άλφα2 δέλτα ή μείωση της βιοσύνθεσης Cac.
Ο Κάνινγκχαμ είπε, «Αυτό σημαίνει ότι ένα σημαντικό ποσό Cac αναστρέφεται κάθε μέρα σε ενεργές ζώνες και ότι ο τζίρος προκαλείται από τη νέα παράδοση Cac».
Littleton είπε, «Τώρα που οι κανόνες αφθονίας και αναπλήρωσης διαύλων ασβεστίου είναι ξεκάθαροι, θέλω να μάθω πώς διαφέρουν όταν οι νευρώνες υφίστανται πλαστικότητα — για παράδειγμα όταν οι νέες εισερχόμενες πληροφορίες απαιτούν από τους νευρώνες να προσαρμόσουν την επικοινωνία τους για να κλιμακώσουν προς τα πάνω ή προς τα κάτω τη συναπτική επικοινωνία».
«Είμαι επίσης πρόθυμος να παρακολουθήσω μεμονωμένα κανάλια ασβεστίου καθώς δημιουργούνται στο κυτταρικό σώμα και στη συνέχεια να μετακινηθούν προς τα κάτω από τον νευρικό άξονα στις ενεργές ζώνες και θέλει να προσδιορίσει ποια άλλα γονίδια μπορεί να επηρεάσουν την αφθονία Cac».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Ρύθμιση της αφθονίας των προσυναπτικών καναλιών Ca2+ σε ενεργές ζώνες μέσω μιας ισορροπίας παράδοσης και κύκλου εργασιών. ΝευροεπιστήμεςΕ DOI: 10.7554/eLife.78648
