I neuroni comunicano tra loro attraverso giunzioni chiamate sinapsi. Quando gli ioni calcio si spostano nelle "zone attive", che sono popolate da vescicole contenenti messaggi chimici, iniziano a "comunicare". Le vescicole si “fondono” con le membrane esterne dei neuroni presinaptici a causa del calcio caricato elettricamente, rilasciando il loro carico chimico di comunicazione alla cellula postsinaptica.
Un nuovo studio del Picower Institute for Learning and Memory at CON rivela come i neuroni creano e sostengono questa infrastruttura vitale.
I canali del calcio sono una parte cruciale del motore sul lato presinaptico che trasforma i segnali elettrici in trasmissione sinaptica chimica poiché sono il principale determinante dell'afflusso di calcio, che quindi provoca la fusione delle vescicole. Tuttavia, non era chiaro come si accumulassero nelle zone attive.
Questo nuovo studio offre indizi su come le zone attive si accumulano e regolano l'abbondanza dei canali del calcio.
Troy Littleton, autore senior del nuovo studio e Menicon Professor of Neuroscience nei dipartimenti di Biology and Brain and Cognitive Sciences del MIT, ha dichiarato: “È noto che la modulazione della funzione dei canali presinaptici del calcio ha effetti clinici significativi. È importante comprendere la linea di base di come questi canali sono regolamentati".
I canali del calcio sono essenziali per lo sviluppo delle zone attive?
Gli scienziati volevano determinare la risposta a questa domanda nelle larve. Va notato che il gene del canale del calcio delle mosche (chiamato "cacofonia" o Cac) è così importante che non possono vivere senza di esso.
Invece di eliminare Cac dall'intera mosca, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica per eliminare Cac in una sola popolazione di neuroni. In questo modo hanno dimostrato che le zone attive si sviluppano regolarmente anche senza Cac.
Hanno anche usato un'altra tecnica che prolunga artificialmente lo stadio larvale della mosca. Hanno scoperto che con un tempo extra la zona attiva continuerà a costruire la sua struttura con una proteina chiamata BRP, ma l'accumulo di Cac cessa dopo i normali sei giorni.
È stato anche riscontrato che aumenti o diminuzioni moderati nella fornitura di Cac disponibile nel neurone non hanno influenzato la quantità di Cac che è finita in ciascuna zona attiva. Con loro sorpresa, hanno scoperto che sebbene il numero di Cac aumentasse con la dimensione di ciascuna zona attiva, cambiava poco se riducevano significativamente il BRP nella zona attiva. In effetti, il neurone sembrava stabilire un limite costante alla quantità di Cac presente per ciascuna zona attiva.
Karen Cunningham, postdoc del MIT, ha dichiarato: "È stato rivelatore che il neurone aveva regole molto diverse per le proteine strutturali nella zona attiva come il BRP che continuavano ad accumularsi nel tempo, rispetto al canale del calcio che era strettamente regolato e aveva la sua abbondanza limitata".
Oltre alla fornitura di Cac o ai cambiamenti nel BRP, anche altri fattori devono regolare i livelli di Cac in modo così rigoroso. Si sono rivolti ad alpha2delta.
Manipolando geneticamente l'espressione della sua quantità, gli scienziati hanno scoperto che i livelli di alfa2delta determinavano direttamente la quantità di Cac accumulata nelle zone attive. Ulteriori esperimenti hanno anche rivelato che l'offerta complessiva di Cac del neurone monitora la capacità dell'alfa2delta di mantenere i livelli di Cac.
Suggerisce che invece di controllare la quantità di Cac nelle zone attive stabilizzandola, alpha2delta probabilmente ha funzionato a monte, durante il traffico di Cac, per fornire e rifornire Cac alle zone attive.
Utilizzando due tecniche diverse, hanno osservato questo rifornimento. Hanno anche generato misurazioni di esso e dei suoi tempi.
Cunningham ha scelto un momento dopo alcuni giorni di sviluppo per visualizzare le zone attive e misurare l'abbondanza di Cac per accertare il paesaggio. Poi ha sbiancato quella fluorescenza di Cac per cancellarla. Dopo 24 ore, ha visualizzato di nuovo la fluorescenza di Cac per evidenziare solo il nuovo Cac che è stato consegnato alle zone attive in quelle 24 ore.
Ha osservato che Cac è stato erogato in quasi tutte le zone attive quel giorno. Tuttavia, quel giorno di lavoro era, in effetti, insignificante rispetto all'accumulo dei giorni precedenti. Ha anche visto che le zone attive più grandi accumulavano più Cac rispetto a quelle più piccole. Inoltre, non c'era quasi nessuna nuova erogazione di Cac nei modelli alfa2delta fly modificati.
Il compito successivo era determinare a quale ritmo i canali Cac vengono rimossi dalle zone attive. Per fare ciò, gli scienziati hanno usato una tecnica di colorazione con una proteina fotoconvertibile chiamata Maple etichettata con la proteina Cac. Ciò ha permesso loro di cambiare il colore con un lampo di luce al momento prescelto.
In questo modo mostra quanto Cac accumulato in un tempo specifico (mostrato in verde) e poi fa lampeggiare la luce per trasformare quel Cac in rosso. Dopo cinque giorni, quasi il 30 percento del Cac rosso era stato sostituito con il nuovo Cac verde. Questo turnover di Cac si è interrotto quando i livelli di consegna di Cac sono stati ridotti mutando alfa2 delta o riducendo la biosintesi di Cac.
Cunningham ha detto, "Ciò significa che una quantità significativa di Cac viene consegnata ogni giorno nelle zone attive e che il turnover è richiesto dalla nuova consegna di Cac."
Littleton disse, "Ora che le regole dell'abbondanza e del rifornimento dei canali del calcio sono chiare, voglio sapere come differiscono quando i neuroni subiscono plasticità, ad esempio quando nuove informazioni in arrivo richiedono ai neuroni di adattare la loro comunicazione per aumentare o diminuire la comunicazione sinaptica".
"Sono anche ansioso di tracciare i singoli canali del calcio mentre vengono prodotti nel corpo cellulare e quindi spostarmi lungo l'assone neurale verso le zone attive, e vuole determinare quali altri geni possono influenzare l'abbondanza di Cac".
Riferimento della Gazzetta:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Regolazione dell'abbondanza del canale presinaptico del Ca2+ nelle zone attive attraverso un equilibrio tra consegna e turnover. Neuroscienze. DOI: 10.7554 / eLife.78648
