Neuron berkomunikasi satu sama lain melalui persimpangan yang disebut sinapsis. Ketika ion kalsium berpindah ke “zona aktif”, yang dipenuhi vesikel yang mengandung pesan kimia, mereka mulai “berkomunikasi”. Vesikel “menyatu” ke membran luar neuron prasinaps karena kalsium bermuatan listrik, melepaskan muatan kimia komunikasinya ke sel pascasinaps.
Sebuah studi baru oleh Picower Institute for Learning and Memory di MIT mengungkapkan bagaimana neuron mengatur dan mempertahankan infrastruktur penting ini.
Saluran kalsium adalah bagian penting dari mesin di sisi prasinaptik yang mengubah sinyal listrik menjadi transmisi sinaptik kimia karena saluran tersebut merupakan penentu utama masuknya kalsium, yang kemudian menyebabkan fusi vesikel. Namun, bagaimana mereka terakumulasi di zona aktif masih belum jelas.
Studi baru ini memberikan petunjuk tentang bagaimana zona aktif terakumulasi dan mengatur banyaknya saluran kalsium.
Troy Littleton, penulis senior studi baru ini dan Profesor Neurosains Menicon di departemen Biologi dan Ilmu Otak dan Kognitif MIT, mengatakan, “Modulasi fungsi saluran kalsium prasinaps diketahui memiliki efek klinis yang signifikan. Penting untuk memahami dasar bagaimana saluran-saluran ini diatur.”
Apakah saluran kalsium penting untuk pengembangan zona aktif?
Para ilmuwan ingin menentukan jawaban atas pertanyaan ini pada larva. Perlu dicatat bahwa gen saluran kalsium lalat (disebut “cacophony,” atau Cac) sangat penting sehingga mereka tidak dapat hidup tanpanya.
Alih-alih memusnahkan Cac di seluruh lalat, para ilmuwan menggunakan teknik untuk memusnahkan Cac hanya pada satu populasi neuron. Mereka menunjukkan bahwa zona aktif berkembang secara teratur bahkan tanpa Cac dengan melakukan hal ini.
Mereka juga menggunakan teknik lain yang secara artifisial memperpanjang tahap larva lalat. Mereka menemukan bahwa dengan tambahan waktu, zona aktif akan terus membangun strukturnya dengan protein yang disebut BRP, namun akumulasi Cac berhenti setelah enam hari normal.
Ditemukan juga bahwa peningkatan atau penurunan moderat dalam pasokan Cac yang tersedia di neuron tidak mempengaruhi berapa banyak Cac yang berakhir di setiap zona aktif. Yang mengejutkan mereka, mereka menemukan bahwa meskipun jumlah Cac meningkat seiring dengan ukuran masing-masing zona aktif, jumlah tersebut hampir tidak berubah jika mereka secara signifikan mengurangi BRP di zona aktif. Faktanya, neuron tampaknya menetapkan batasan konstan pada jumlah Cac yang ada untuk setiap zona aktif.
Pascadoktoral MIT Karen Cunningham berkata, “Terungkap bahwa neuron memiliki aturan yang sangat berbeda untuk protein struktural di zona aktif seperti BRP yang terus terakumulasi seiring waktu, dibandingkan saluran kalsium yang diatur secara ketat dan kelimpahannya dibatasi.”
Selain pasokan Cac atau perubahan BRP, faktor lain juga harus mengatur kadar Cac dengan sangat ketat. Mereka beralih ke alpha2delta.
Dengan memanipulasi ekspresi kuantitasnya secara genetik, para ilmuwan menemukan bahwa tingkat alfa2delta secara langsung menentukan berapa banyak Cac yang terakumulasi di zona aktif. Eksperimen lebih lanjut juga mengungkapkan bahwa keseluruhan pasokan Cac neuron memantau kemampuan alpha2delta untuk mempertahankan tingkat Cac.
Hal ini menunjukkan bahwa alih-alih mengontrol jumlah Cac di zona aktif dengan menstabilkannya, alpha2delta kemungkinan besar berfungsi di hulu, selama perdagangan Cac, untuk memasok dan memasok kembali Cac ke zona aktif.
Dengan menggunakan dua teknik berbeda, mereka mengamati pasokan ulang ini. Mereka juga menghasilkan pengukuran dan waktunya.
Cunningham memilih momen setelah beberapa hari pengembangan untuk menggambarkan zona aktif dan mengukur kelimpahan Cac untuk memastikan lanskapnya. Lalu dia memutihkan fluoresensi Cac itu untuk menghapusnya. Setelah 24 jam, dia memvisualisasikan fluoresensi Cac lagi untuk menyorot hanya Cac baru yang dikirimkan ke zona aktif selama 24 jam tersebut.
Dia mengamati bahwa Cac dikirimkan ke hampir seluruh zona aktif hari itu. Meski begitu, kerja satu hari itu nyatanya tidak seberapa jika dibandingkan dengan akumulasi hari-hari sebelumnya. Dia juga melihat bahwa zona aktif yang lebih besar mengumpulkan lebih banyak Cac dibandingkan zona aktif yang lebih kecil. Selain itu, hampir tidak ada pengiriman Cac baru pada model lalat alpha2delta yang diubah.
Tugas selanjutnya adalah menentukan kecepatan penghapusan saluran Cac dari zona aktif. Untuk melakukannya, para ilmuwan menggunakan teknik pewarnaan dengan protein fotokonvertibel yang disebut Maple yang ditandai dengan protein Cac. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengubah warna dengan kilatan cahaya pada waktu yang dipilihnya.
Melakukannya akan menunjukkan berapa banyak Cac yang terakumulasi pada waktu tertentu (ditunjukkan dalam warna hijau) dan kemudian lampu berkedip untuk mengubah Cac tersebut menjadi merah. Setelah lima hari, hampir 30 persen Cac merah telah diganti dengan Cac hijau baru. Pergantian Cac ini berhenti ketika tingkat pengiriman Cac dikurangi dengan mutasi alpha2 delta atau pengurangan biosintesis Cac.
Cunningham berkata, “Itu berarti sejumlah besar Cac diserahkan setiap hari di zona aktif dan pergantian tersebut didorong oleh pengiriman Cac baru.”
Littleton tersebut, “Sekarang aturan kelimpahan dan pengisian kembali saluran kalsium sudah jelas, saya ingin mengetahui perbedaannya ketika neuron mengalami plastisitas – misalnya ketika informasi baru yang masuk mengharuskan neuron menyesuaikan komunikasinya untuk meningkatkan atau menurunkan komunikasi sinaptik.”
“Saya juga ingin melacak saluran kalsium individual yang dibuat di dalam sel tubuh dan kemudian berpindah ke akson saraf ke zona aktif, dan dia ingin menentukan gen lain apa yang mungkin memengaruhi kelimpahan Cac.”
Referensi Jurnal:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Pengaturan kelimpahan saluran Ca2+ prasinaps di zona aktif melalui keseimbangan pengiriman dan pergantian. Neuroscience. DOI: 10.7554/eLife.78648
