Нейроны являются первичными клетками нервной системы, и сигналы, которые передаются между ними, несут ответственность за все наши действия и наши когнитивные способности. В частности, считается, что обучение и память связаны с процессом, называемым “ долгосрочная потенциация ”, который представляет собой усиление связей между конкретными нейронами посредством непрерывной передачи сигнала через синапсы (небольшие промежутки между нейронами). Долгосрочная потенциация может изменить связь между нейронами через синапсы, изменив их размер и состав. Понимание того, как происходит долговременная потенциация, может быть полезным для выяснения того, как наш мозг учится и сохраняет новые знания. Команда ученых из Японии добилась значительных успехов в понимании долгосрочного потенцирования. Читайте дальше, чтобы узнать, как!
Один из способов изучения долгосрочной потенциации – использование оптогенетики, т.е.е., активация нейронов и мониторинг их ответов на световую стимуляцию. Оптогенетика позволяет ученым активировать отдельные нейроны и анализировать, как нейроны работают в нейронных сетях. Таким образом, оптогенетика является революционным достижением в исследованиях нейробиологии, но оптогенетические инструменты для модификации отдельных синапсов (шипов) до сих пор не были разработаны. Это проблема, потому что нейрональные сигнальные пути могут иметь специфические для позвоночника эффекты. В частности, белок CaMKII, имеющий решающее значение для долгосрочной потенциации, активируется молекулой глутамата специфическим для позвоночника образом, но что именно происходит в синапсах во время активации, остается загадкой.
К счастью, исследовательская группа из Национального института физиологических наук Японии во главе с доктором. Hideji Murakoshi, решил эту проблему. Команда объединила CaMKII с определенным доменом фоторецептора растения (тип клетки, который реагирует на свет). Этот домен, названный LOV2-Jα, заставил CaMKII стать чувствительным к свету, после чего они экспрессировали этот новый фотоактивируемый CaMKII в различных типах изолированных нейронов и у живых мышей. Их результаты недавно опубликованы в журнале Nature Communications.
"Мы были очень взволнованы, обнаружив, что активация CaMKII вызывает некоторые важные эффекты, в частности рекрутирование рецепторов, которые вызывают цепную реакцию, которая затем приводит к долгосрочному усилению," Доктор. Муракоши объясняет. Этот процесс физически изменяет дендритные шипы, расширяя их – результат, который ученые также наблюдали в своих экспериментах. Важно отметить, что все, что было необходимо для того, чтобы этот процесс произошел, – это активация CaMKII – выражаясь научными терминами, активации CaMKII было достаточно для долгосрочного потенцирования отдельных дендритных шипов, что не было продемонстрировано ранее. Команда также использовала технологию визуализации на основе света и активируемый светом CaMKII, чтобы определить, какие сигнальные молекулы активируются во время долгосрочной потенциации. Все эти данные в совокупности дают лучшее представление о том, как происходит долговременная потенциация на уровне синапсов.
"В дополнение к ценной информации, которую мы обнаружили о важном неврологическом процессе, наш активируемый светом CaMKII является важным дополнением к существующим оптогенетическим инструментам," Доктор. Муракоши комментирует, когда его спрашивают о значении их работы. "Мы создали что-то, что можно использовать для управления передачей сигналов нейронов и исследования синаптической пластичности – или физиологических изменений, которые происходят в отдельных синапсах во время таких событий, как формирование памяти."
Ученые с оптимизмом смотрят на то, что при дальнейшем развитии способность манипулировать синапсами также будет иметь важное значение для лечения заболеваний мозга (таких как аутизм) – выдающийся подвиг для нейробиологии!