Чтобы вообще работать, нервной системе нужны ее клетки или нейроны, чтобы соединяться и общаться на языке электрических импульсов и химических нейротрансмиттеров. Чтобы мозг мог учиться и адаптироваться, ему нужны связи, называемые синапсами, чтобы иметь возможность усиливать или ослаблять. Новое исследование нейробиологов из Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института помогает объяснить, почему сильные синапсы сильнее и как они становятся такими.
Выявив свойства синаптической силы и то, как они развиваются, исследование могло бы помочь ученым лучше понять, как синапсы можно сделать слабее или сильнее. По словам старшего автора Троя Литтлтона, профессора нейробиологии Menicon кафедры биологии Массачусетского технологического института, дефицит синаптического развития и изменения, или пластичности, играет роль во многих заболеваниях мозга, таких как аутизм или умственная отсталость.
"Важность нашего исследования состоит в том, чтобы выяснить, каковы молекулярные особенности действительно сильных синапсов по сравнению с их более слабыми соседями, и как мы можем думать о способах преобразования действительно слабых синапсов в более сильные," Литтлтон сказал.
В исследовании, опубликованном в eLife, команда Литтлтона использовала инновационные методы визуализации в модельном организме плодовой мухи дрозофилы, чтобы сосредоточиться на "активные зоны," которые являются фундаментальными компонентами синапсов. Ученые определили специфические характеристики, связанные с прочной связью с обеих сторон синапса.
Команда, возглавляемая докторантом Юлией Акбергеновой и аспирантом Карен Каннингем, также изучила, как растут сильные синапсы и активные зоны, показав, что те, которые дольше всего созревают в течение нескольких критических дней развития, становятся сильнейшими.
Источники силы
Исследование команды началось с обследования активных зон на стыке, где двигательный нейрон связывает мышцу. В нервно-мышечном соединении присутствовало около 300 активных зон, что дало команде возможность исследовать богатое разнообразие синапсов.
Обычно нейробиологи изучают нейронную связь, измеряя электрические токи в постсинаптическом нейроне после активации пресинаптического нейрона, но такие измерения представляют собой накопление передачи из многих активных зон. В новом исследовании команда смогла напрямую визуализировать активность отдельных активных зон с беспрецедентным разрешением, используя "оптическое квантовое изображение."
"Мы оптимизировали генетически закодированный датчик кальция, чтобы разместить его рядом с активными зонами," Акбергенова сказала. "Это позволяет нам непосредственно визуализировать активность на отдельных сайтах релизов. Теперь мы можем разрешить синаптическую передачу на уровне каждого отдельного места высвобождения."
У многих мух команда постоянно обнаруживала, что только около 10 процентов активных зон на стыке были сильными, что измерялось высокой вероятностью того, что они высвободят глутамат нейротрансмиттера при стимуляции пресинаптического нейрона. Около 70 процентов активных зон были намного слабее, глутамат практически никогда не выделялся при такой же стимуляции. Еще 20 процентов бездействовали. Наиболее сильные активные зоны имели вероятность выброса в 50 раз больше, чем слабые.
"Первоначальное наблюдение заключалось в том, что синапсы, созданные одним и тем же нейроном, не имеют одинаковой силы," Литтлтон сказал. "Тогда возник вопрос: что такого особенного в отдельном синапсе, который определяет, является ли он сильным или слабым??"