Các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau tại các điểm nối được gọi là khớp thần kinh. Khi các ion canxi di chuyển vào “vùng hoạt động”, nơi tập trung các túi chứa thông điệp hóa học, chúng bắt đầu “giao tiếp”. Các túi “hợp nhất” với màng ngoài của tế bào thần kinh trước khớp thần kinh do canxi tích điện, giải phóng hàng hóa hóa học liên lạc của chúng tới tế bào sau khớp thần kinh.
Một nghiên cứu mới của Viện Học tập và Trí nhớ Picower tại MIT tiết lộ cách các tế bào thần kinh thiết lập và duy trì cơ sở hạ tầng quan trọng này.
Các kênh canxi là một phần quan trọng của động cơ ở phía trước khớp thần kinh giúp biến đổi tín hiệu điện thành truyền dẫn qua khớp thần kinh hóa học vì chúng là yếu tố quyết định chính của dòng canxi, sau đó gây ra phản ứng tổng hợp túi. Tuy nhiên, làm thế nào họ tích lũy trong các khu vực hoạt động là không rõ ràng.
Nghiên cứu mới này cung cấp manh mối về cách các vùng hoạt động tích tụ và điều chỉnh sự phong phú của các kênh canxi.
Troy Littleton, một tác giả cao cấp của nghiên cứu mới và là Giáo sư Khoa học Thần kinh Menicon tại khoa Sinh học và Khoa học Não và Nhận thức của MIT, cho biết: “Điều chỉnh chức năng của các kênh canxi tiền synap được biết là có tác dụng lâm sàng đáng kể. Hiểu cơ sở về cách các kênh này được quy định là rất quan trọng.
Các kênh canxi có cần thiết cho các vùng hoạt động phát triển không?
Các nhà khoa học muốn xác định câu trả lời cho câu hỏi này ở ấu trùng. Cần lưu ý rằng gen kênh canxi của ruồi (được gọi là “cacophony” hoặc Cac) quan trọng đến mức chúng không thể sống thiếu nó.
Thay vì loại bỏ Cac trên toàn bộ đàn ruồi, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật để loại bỏ Cac chỉ trong một quần thể tế bào thần kinh. Họ đã chứng minh rằng các vùng hoạt động thường xuyên phát triển ngay cả khi không có Cac bằng cách làm này.
Họ cũng sử dụng một kỹ thuật khác giúp kéo dài giai đoạn ấu trùng của ruồi một cách nhân tạo. Họ phát hiện ra rằng nếu có thêm thời gian, vùng hoạt động sẽ tiếp tục xây dựng cấu trúc của nó với một loại protein gọi là BRP, nhưng quá trình tích lũy Cac sẽ chấm dứt sau sáu ngày bình thường.
Người ta cũng phát hiện ra rằng việc tăng hoặc giảm vừa phải nguồn cung Cac có sẵn trong tế bào thần kinh không ảnh hưởng đến lượng Cac kết thúc ở mỗi vùng hoạt động. Thật ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng mặc dù số lượng Cac được chia tỷ lệ với kích thước của từng vùng hoạt động, nhưng nó hầu như không thay đổi nếu họ giảm đáng kể BRP trong vùng hoạt động. Trên thực tế, tế bào thần kinh dường như thiết lập giới hạn không đổi về lượng Cac hiện diện cho mỗi vùng hoạt động.
Tiến sĩ hậu tiến sĩ MIT Karen Cunningham cho biết, “Điều đó tiết lộ rằng tế bào thần kinh có các quy tắc rất khác nhau đối với các protein cấu trúc ở vùng hoạt động như BRP tiếp tục tích lũy theo thời gian, so với kênh canxi được điều hòa chặt chẽ và có giới hạn về mức độ phong phú.”
Bên cạnh nguồn cung Cac hoặc thay đổi BRP, các yếu tố khác cũng phải điều chỉnh mức Cac thật chặt chẽ. Họ chuyển sang alpha2delta.
Thao tác di truyền biểu hiện số lượng của nó, các nhà khoa học phát hiện ra rằng mức alpha2delta xác định trực tiếp lượng Cac tích lũy tại các vùng hoạt động. Các thí nghiệm tiếp theo cũng tiết lộ rằng nguồn cung cấp Cac tổng thể của tế bào thần kinh giám sát khả năng duy trì mức Cac của alpha2delta.
Nó gợi ý rằng thay vì kiểm soát lượng Cac tại các vùng hoạt động bằng cách ổn định nó, alpha2delta có thể hoạt động ngược dòng, trong quá trình buôn bán Cac, để cung cấp và tiếp tế Cac cho các vùng hoạt động.
Sử dụng hai kỹ thuật khác nhau, họ đã quan sát sự tiếp tế này. Họ cũng tạo ra các phép đo về nó và thời gian của nó.
Cunningham đã chọn một thời điểm sau vài ngày phát triển để chụp ảnh các vùng hoạt động và đo lường sự phong phú của Cac để xác định cảnh quan. Sau đó, cô ấy tẩy huỳnh quang Cac đó để xóa nó. Sau 24 giờ, cô ấy hình dung lại sự phát huỳnh quang của Cac để chỉ làm nổi bật Cac mới được chuyển đến các vùng hoạt động trong 24 giờ đó.
Cô ấy quan sát thấy rằng Cac đã được chuyển đến hầu hết các khu vực hoạt động vào ngày hôm đó. Tuy nhiên, trên thực tế, công việc của một ngày đó không đáng kể so với sự tích lũy từ những ngày trước đó. Cô ấy cũng thấy rằng các vùng hoạt động lớn hơn tích lũy nhiều Cac hơn những vùng nhỏ hơn. Ngoài ra, hầu như không có bất kỳ đợt phân phối Cac mới nào trong các mô hình bay alpha2delta đã thay đổi.
Nhiệm vụ tiếp theo là xác định tốc độ các kênh Cac bị xóa khỏi vùng hoạt động. Để làm như vậy, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật nhuộm màu với một loại protein chuyển đổi quang điện có tên là Maple được gắn vào protein Cac. Điều này cho phép chúng thay đổi màu sắc bằng một tia sáng vào thời điểm cô ấy đã chọn.
Làm như vậy để hiển thị lượng Cac được tích lũy trong một thời gian cụ thể (hiển thị bằng màu xanh lá cây) và sau đó nhấp nháy đèn để biến Cac đó thành màu đỏ. Sau năm ngày, gần 30% Cac đỏ đã được thay thế bằng Cac xanh mới. Vòng quay Cac này dừng lại khi mức phân phối Cac bị giảm do biến đổi alpha2 delta hoặc giảm quá trình sinh tổng hợp Cac.
Cickyham nói, “Điều đó có nghĩa là một lượng đáng kể Cac được luân chuyển mỗi ngày tại các khu vực đang hoạt động và doanh thu được thúc đẩy bởi việc phân phối Cac mới.”
Littleton nói, “Giờ đây, các quy tắc về sự phong phú và bổ sung của kênh canxi đã rõ ràng, tôi muốn biết chúng khác nhau như thế nào khi tế bào thần kinh trải qua quá trình dẻo hóa — ví dụ như khi thông tin mới đến yêu cầu tế bào thần kinh điều chỉnh hoạt động giao tiếp của chúng để tăng hoặc giảm quy mô giao tiếp qua khớp thần kinh.”
“Tôi cũng háo hức theo dõi các kênh canxi riêng lẻ khi chúng được tạo ra trong cơ thể tế bào và sau đó di chuyển xuống sợi trục thần kinh đến các vùng hoạt động và anh ấy muốn xác định những gen nào khác có thể ảnh hưởng đến sự phong phú của Cac.”
Tạp chí tham khảo:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Điều chỉnh sự phong phú của kênh Ca2+ trước synap tại các vùng hoạt động thông qua sự cân bằng giữa phân phối và doanh thu. Khoa học thần kinh. DOI: 10.7554 / eLife.78648
