Синапсы позволяют нейронам общаться друг с другом. В синапсе один нейрон излучает химические посланники, называемые нейротрансмиттерами, а соседний нейрон принимает их, используя крошечные структуры, называемые рецепторами. Определенный тип рецептора, рецептор AMPA, играет решающую роль в процессах обучения и памяти. Однако ученые еще не до конца понимают, как эти рецепторы AMPA образуются и работают.
Теперь исследователи из отдела мембранной кооперации Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) в Японии в сотрудничестве с исследователями из университетов Японии обнаружили, что рецепторы AMPA непрерывно формируются и распадаются за доли секунды. вместо того, чтобы существовать как стабильные предприятия. Выводы ученых, опубликованные в Nature Communications, могут прояснить ранние стадии синаптической пластичности, нейронной активности, которая является ключевой для обучения и памяти. Исследование также может иметь фармакологическое применение при лечении эпилепсии.
Меняющийся мозг
Рецепторы AMPA состоят из четырех молекул или субъединиц, называемых GluA1, 2, 3 и 4, которые объединяются в структуры, называемые тетрамерами. Различные комбинации субъединиц образуют тетрамеры; это означает, что существует 256 возможных конфигураций рецептора AMPA.
Ученые долгое время считали, что эти тетрамеры происходят из эндоплазматического ретикулума клетки "производственный центр," перед миграцией в синапсы, при этом сохраняя стабильные структуры в течение нескольких часов или даже дней.
"Эта стабильность тетрамера может быть проблематичной для нейронов," сказал профессор Акихиро Кусуми, соавтор исследования. "Синапсам нужны тетрамеры рецептора AMPA с различными комбинациями субъединиц по мере того, как мозг учится и изменяются его нейронные цепи. Таким образом, у нас было внутреннее ощущение, что что-то ужасно не так с общепринятым представлением о том, как рецепторы AMPA образуются, мигрируют и работают."
Глядя на движущиеся рецепторы AMPA с разрешением одной молекулы
Следуя этой интуиции, исследователи поместили флуоресцентные метки на каждую отдельную молекулу субъединицы рецепторов AMPA. Затем они отслеживали движения молекул в живых клетках с точностью до нанометра. Они использовали флуоресцентный микроскоп для одной молекулы и программное обеспечение для анализа движения отдельных молекул – метод, который впервые применили Кусуми и его коллеги.
Изучая, как молекулы рецептора AMPA толкаются в мембране и связываются друг с другом, исследователи обнаружили, что субъединицы рецептора AMPA существуют как отдельные молекулы, так и сборки из двух, трех и четырех молекул. Тетрамеры были найдены, но распались примерно через 0.От 1 до 0.2 секунды. Затем, однако, разделенные молекулы обнаружили, что другие молекулы-партнеры снова образуют новые сборки из двух, трех и четырех молекул, непрерывно повторяя этот процесс.
Кроме того, исследователи обнаружили, что когда молекулы образуют тетрамеры, хотя и ненадолго, они работают как крошечные каналы, которые открываются менее чем на 0 минут.1 секунда. Поскольку функциональные тетрамеры постоянно разрушаются с образованием новых тетрамеров, тетрамеры рецептора AMPA с различным составом субъединиц могут быть легко образованы. Это представляет собой новый механизм синаптической пластичности.
Кусуми отметил, что выводы команды могут иметь медицинское применение. У людей с эпилепсией наблюдается избыток глутамата, нейромедиатора, который связывается с рецепторами AMPA в головном мозге. Этих людей часто лечат противосудорожными средствами, которые препятствуют связыванию глутамата с тетрамерами рецептора AMPA, но это лечение может быть слишком мощным и, следовательно, неэффективным.
Кусуми считает, что разработка лекарств, замедляющих образование тетрамеров с определенным составом субъединиц в головном мозге, может смягчить проблемные типы синаптической пластичности, тем самым уменьшив симптомы эпилепсии.