Наш мозг состоит примерно из 100 миллиардов нервных клеток, которые постоянно общаются друг с другом. В дополнение к электрическим сигналам решающую роль также играет высвобождение и передача химических мессенджеров. То, сколько из этих нейротрансмиттеров обменивается, также определяет, среди прочего, наше обучение и память. Теперь ученые открыли одну из причин такой пластичности передачи сигнала.
Исследователи во главе с Ральфом Шнеггенбургером из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене смогли использовать электрофизиологические измерения и оптическую стимуляцию отдельных нервных клеток, чтобы показать, что особые вещества-мессенджеры влияют на вероятность образования везикул - крошечных клеток. наполненные нейротрансмиттерами Везикулы - сливаются с клеточной мембраной и запускают химический сигнал в нижерасположенных нервных клетках.
Эти результаты должны позволить, по мнению исследователей в текущем выпуске научного журнала Nature, идентифицировать белки, которые способствуют пластичности передачи сигнала и, следовательно, способности нейронных сетей учиться.
Наш мозг состоит примерно из 100 миллиардов нервных клеток, связанных сложной сетью. Связь между этими клетками необходима для функционирования нашего мозга. Нервные клетки сообщаются друг с другом через специальные контактные точки, «синапсы», где наполненные медиатором везикулы сливаются с клеточной мембраной в ответ на электрический импульс от пресинаптической нервной клетки, а затем высвобождают мессенджер, влияющий на электрическую активность нервных клеток. постсинаптическая нервная клетка. Этот процесс синаптической передачи обладает высокой степенью модуляции по своей силе, а пластичность синаптической передачи считается основой для обучения и формирования памяти.
Везикулы сливаются с клеточной мембраной
Чтобы нервные клетки могли высвобождать нейротрансмиттеры даже при повторяющихся раздражителях, они имеют пул из трех-восьми везикул, которые уже пристыкованы и готовы к секреции в каждой точке синаптического контакта. Эти везикулы размером всего около 40 нанометров (что соответствует одной двадцатипятитысячной миллиметра) можно наблюдать под электронным микроскопом, поскольку они плотно прилегают к плазматической мембране пресинаптической нервной клетки. Однако, что именно происходит при слиянии синаптических везикул с клеточной мембраной, невозможно наблюдать непосредственно, ни в электронный, ни в световой микроскопы. Поэтому процессы при синаптической передаче приходится реконструировать по разным экспериментальным наблюдениям.
Рабочая группа Ральфа Шнеггенбургера работает с необычно большим, так называемым «синапсом чашечки Хелда». Нервные окончания в этой клетке настолько велики, что электрические измерения можно проводить непосредственно на пресинаптических нервных окончаниях с помощью метода пэтч-кламп. Это позволяет не только измерять токи ионов кальция (Са2+) в нервном окончании, но и вводить индикаторные красители Са2+ и фотолизируемые хелаторы Са2+ непосредственно в цитоплазму нервного окончания с помощью накладной пипетки. Таким образом, активируемое Ca2+ слияние везикул в нервных окончаниях может быть целенаправленно запущено. Это позволило детально изучить модуляцию силы синапсов.
Нервные клетки влияют на чувствительность везикул к кальцию
Таким образом, исследователи Макса Планка впервые смогли продемонстрировать, что эфиры форбола, которые активируют сигнальный путь протеинкиназы C/Munc-13, приводят к увеличению чувствительности к кальцию слияние везикул без значительного увеличения пула быстро высвобождаемых везикул. Этот путь модуляции энергетически выгоден для нервного окончания, так как в противном случае образование большего числа везикул, готовых к секреции, сопровождалось бы потреблением АТФ. Это открытие показывает, что нервные клетки обладают механизмом, влияющим на чувствительность секреторных пузырьков к кальцию.
Результаты также проливают новый свет на взаимосвязь между кальций-опосредованным и кальций-независимым слиянием везикул с клеточной мембраной. Ранее предполагалось, что «спонтанное» слияние везикул в нестимулированных нейронах происходит независимо от кальция и может быть захвачено особой группой пристыкованных везикул. Однако, как теперь смогли показать исследователи, спонтанное слияние везикул происходит в нижней части той же кривой доза-реакция, которая описывает взаимосвязь между скоростью слияния везикул, опосредованной кальцием, и внутриклеточной концентрацией кальция. Таким образом, исследователи предполагают, что один и тот же комплекс, чувствительный к кальцию, обеспечивает как спонтанное, так и обусловленное кальцием слияние пузырьков.
Кальциевая регуляция слияния везикул сложнее, чем предполагалось
Однако исследователи, к своему удивлению, обнаружили, что при низких концентрациях кальция одного или двух ионов Ca2+ достаточно, чтобы везикула слилась. При более высоких концентрациях Са2+ требуется все больше и больше ионов Са2+, до четырех или пяти, чтобы вызвать слияние одного пузырька. Однако, как только четыре-пять ионов Ca2+ связываются с кальций-чувствительным комплексом, слияние везикул также происходит намного быстрее.
Эти находки демонстрируют, что кальциевая регуляция слияния пузырьков намного сложнее, чем считалось ранее. Чувствительность к кальцию, по-видимому, непосредственно контролируется внутриклеточными сигнальными путями, такими как активация передачи сигналов протеинкиназы-C/Munc-13, при этом один и тот же кальциевый сенсор контролирует как Ca2+-управляемое, так и спонтанное слияние пузырьков. Этот сенсор, вероятно, состоит из комплекса пресинаптических белков, которые защищены так называемыми белками SNARE.: растворимый рецептор белка прикрепления NSF) и другие прикрепленные белки, такие как синаптотагмины.
Результаты исследования также показывают, что другие пресинаптические белки, такие как Munc-13, которые активируются диацилглицерином, влияют на чувствительность к кальцию при слиянии пузырьков. Теперь исследователи хотят определить точную функцию синаптических белков, участвующих в регуляции слияния везикул, опосредованного кальцием.
Этот проект был поддержан Deutsche Forschungsgemeinschaft и Обществом Макса Планка.