נוירונים מתקשרים זה עם זה בצמתים הנקראים סינפסות. כאשר יוני סידן עוברים ל"אזורים פעילים", המאוכלסים בשלפוחיות המכילות מסרים כימיים, הם מתחילים "לתקשר". שלפוחיות "מתמזגות" לממברנות החיצוניות של הנוירונים הפרה-סינפטיים בגלל הסידן הטעון חשמלית, ומשחררות את המטען הכימי של התקשורת שלהם לתא הפוסט-סינפטי.
מחקר חדש של מכון Picower ללמידה וזיכרון ב MIT חושף כיצד נוירונים מקימים ומקיימים תשתית חיונית זו.
תעלות סידן הן חלק מכריע מהמנוע בצד הפרה-סינפטי שהופך אותות חשמליים להולכה סינפטית כימית שכן הם הקובע העיקרי של זרימת הסידן, אשר לאחר מכן גורם לאיחוי שלפוחית. עם זאת, לא ברור איך הם מצטברים באזורים פעילים.
מחקר חדש זה מציע רמזים כיצד אזורים פעילים מצטברים ומווסתים את שפע תעלות הסידן.
טרוי ליטלטון, מחבר בכיר של המחקר החדש ומניקון פרופסור למדעי המוח במחלקות לביולוגיה ומדעי המוח והקוגניציה של MIT, אמר, "מודולציה של התפקוד של תעלות סידן פרה-סינפטיות ידועה כבעלת השפעות קליניות משמעותיות. חשוב להבין את קו הבסיס של אופן הסדרת הערוצים הללו".
האם תעלות סידן חיוניות להתפתחות אזורים פעילים?
מדענים רצו לקבוע את התשובה לשאלה זו בזחלים. יש לציין שהגן של תעלת סידן זבוב (הנקרא "קקפוניה", או Cac) הוא כל כך חשוב שהם לא יכולים לחיות בלעדיו.
במקום להפיל Cac על פני כל הזבוב, מדענים השתמשו בטכניקה כדי לחסל Cac רק באוכלוסיה אחת של נוירונים. הם הוכיחו שאזורים פעילים מתפתחים באופן קבוע גם ללא Cac על ידי כך.
הם השתמשו גם בטכניקה נוספת שמאריכה באופן מלאכותי את שלב הזחל של הזבוב. הם מצאו שבהינתן זמן נוסף, האזור הפעיל ימשיך לבנות את המבנה שלו עם חלבון הנקרא BRP, אך הצטברות Cac נפסקת לאחר ששת הימים הרגילים.
כמו כן, נמצא כי עליות או ירידות מתונות באספקת Cac זמין בנוירון לא השפיעו על כמה Cac הגיע בסופו של דבר לכל אזור פעיל. להפתעתם, הם גילו שלמרות שמספר ה-Cac התרחב עם הגודל של כל אזור פעיל, הוא כמעט ולא השתנה אם הפחיתו משמעותית את ה-BRP באזור הפעיל. למעשה, נראה שהנוירון קובע מכסה קבועה על כמות ה-Cac הקיימת עבור כל אזור פעיל.
פוסט דוקטורט MIT קארן קנינגהם אמרה, "זה גילה שלנוירון היו כללים שונים מאוד לחלבונים המבניים באזור הפעיל כמו BRP שהמשיך להצטבר לאורך זמן, לעומת תעלת הסידן שהייתה מווסתת בחוזקה ושכמותה הוגבלה".
מלבד אספקת Cac או שינויים ב-BRP, גורמים אחרים חייבים גם לווסת את רמות ה-Cac בצורה כה הדוקה. הם פנו ל-alpha2delta.
תוך מניפולציה גנטית של ביטוי הכמות שלו, מדענים גילו שרמות אלפא 2דלתא קבעו ישירות כמה Cac נצבר באזורים פעילים. ניסויים נוספים גילו גם כי אספקת ה-Cac הכוללת של הנוירון מנטרת את יכולתו של ה-alpha2delta לשמור על רמות ה-Cac.
הוא מציע שבמקום לשלוט בכמות ה-Cac באזורים הפעילים על-ידי ייצובו, סביר להניח שה-alpha2delta פעל במעלה הזרם, במהלך סחר ב-Cac, כדי לספק ולספק מחדש Cac לאזורים פעילים.
תוך שימוש בשתי טכניקות שונות, הם צפו באספקה המחודשת הזו. הם גם יצרו מדידות שלו ושל התזמון שלו.
קנינגהם בחרה רגע לאחר כמה ימים של פיתוח לצלם אזורים פעילים ומדדה את שפע ה-Cac כדי לברר את הנוף. ואז היא הלבינה את הקרינה של Cac כדי למחוק אותה. לאחר 24 שעות, היא דמיינה את הקרינה של Cac מחדש כדי להדגיש רק את ה-Cac החדש שנמסר לאזורים פעילים במהלך 24 השעות הללו.
היא הבחינה ש-Cac נמסר כמעט בכל האזורים הפעילים באותו יום. ובכל זאת, אותו יום עבודה היה, למעשה, חסר חשיבות בהשוואה לצבירה מימים קודמים. היא גם ראתה שאזורים פעילים גדולים יותר צברו יותר Cac מאשר קטנים יותר. בנוסף, כמעט ולא הייתה משלוח Cac חדש בדגמי הזבוב של alpha2delta שהשתנו.
המשימה הבאה הייתה לקבוע באיזה קצב מוסרים ערוצי Cac מהאזורים הפעילים. לשם כך, מדענים השתמשו בטכניקת צביעה עם חלבון פוטו-המרה בשם מייפל מתויג לחלבון Cac. זה איפשר להם לשנות את הצבע עם הבזק של אור בזמן שבחר.
פעולה זו מראה כמה Cac צבר בזמן מסוים (מוצג בירוק) ולאחר מכן מהבהבת עם האור כדי להפוך את ה-Cac הזה לאדום. לאחר חמישה ימים, כמעט 30 אחוז מה-Cac האדום הוחלפו בקאק ירוק חדש. תחלופה זו של Cac נעצרה כאשר רמות האספקה של Cac הופחתו על ידי מוטציה של אלפא2 דלתא או הפחתת הביוסינתזה של Cac.
קנינגהם אמר, "משמעות הדבר היא שכמות משמעותית של Cac מועברת בכל יום באזורים פעילים ושהמחזור מתבקש על ידי משלוח CAC חדש."
ליטלטון אמר, "עכשיו, כשהכללים של שפע של תעלות סידן והתחדשות ברורים, אני רוצה לדעת איך הם שונים כאשר נוירונים עוברים פלסטיות - למשל כאשר מידע חדש שנכנס דורש נוירונים להתאים את התקשורת שלהם כדי להגדיל או להקטין את התקשורת הסינפטית."
"אני גם להוט לעקוב אחר תעלות סידן בודדות כפי שהן נוצרות בגוף התא ואז לנוע באקסון העצבי לאזורים הפעילים, והוא רוצה לקבוע אילו גנים אחרים עשויים להשפיע על שפע ה-Cac."
עיון ביומן:
- קארן ל. קנינגהם, צ'אד וו סאבולה, שרה טוואנה, ג'יי טרוי ליטלטון. ויסות של שפע ערוצי Ca2+ פרה-סינפטי באזורים פעילים באמצעות איזון של מסירה ומחזור. Neuroscience. DOI: 10.7554 / eLife.78648
