Πώς η νευρωνική δραστηριότητα ωριμάζει τις συνάψεις

Η σημασία των ενεργών ζωνών στις συνάψεις

Η λειτουργία του νευρικού συστήματος, από την κίνηση μέχρι την αντίληψη και τη γνωστική λειτουργία, βασίζεται στις ενεργές ζώνες των νευρωνικών συνδέσεων, γνωστές ως «συνάψεις», για την αποστολή της σωστής ποσότητας χημικών σημάτων τη σωστή στιγμή. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε από το Ινστιτούτο Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη στο MIT, παρακολουθώντας πώς σχηματίζονται και ωριμάζουν οι ενεργές ζώνες στις συνάψεις των μυγών φρούτων, αποκάλυψε ένα θεμελιώδες μοντέλο για το πώς η νευρωνική δραστηριότητα κατά την ανάπτυξη δημιουργεί σωστά λειτουργικές συνδέσεις.

Ο ρόλος της νευρωνικής δραστηριότητας στη διαμόρφωση του νευρικού συστήματος

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι σημαντική όχι μόνο για την πρόοδο της βασικής γνώσης σχετικά με το πώς αναπτύσσονται τα νευρικά συστήματα, αλλά και επειδή πολλές διαταραχές όπως η επιληψία, ο αυτισμός ή η διανοητική αναπηρία μπορεί να προκύψουν από ανωμαλίες στη συνάπτική μεταβίβαση, εξηγεί ο κύριος συγγραφέας Troy Littleton, Καθηγητής στο Ινστιτούτο Picower και στο Τμήμα Βιολογίας του MIT. Τα νέα ευρήματα, που χρηματοδοτήθηκαν εν μέρει από μια επιχορήγηση του 2021 από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, παρέχουν πληροφορίες για το πώς οι ενεργές ζώνες αναπτύσσουν την ικανότητα να στέλνουν νευροδιαβιβαστές μέσα από τις συνάψεις στους στόχους τους στο κύκλωμα. Η διαδικασία δεν είναι στιγμιαία ή προδιαγεγραμμένη. Μπορεί να απαιτήσει ημέρες για να ωριμάσει πλήρως, και αυτό ρυθμίζεται από τη νευρωνική δραστηριότητα.

Μοριακές στρατηγικές για τη ρύθμιση της συνάπτικής μεταβίβασης

Εάν οι επιστήμονες μπορέσουν να κατανοήσουν πλήρως τη διαδικασία, λέει ο Littleton, τότε μπορούν να αναπτύξουν μοριακές στρατηγικές για να παρέμβουν και να ρυθμίσουν τη συνάπτική μεταβίβαση όταν αυτή συμβαίνει υπερβολικά ή ανεπαρκώς σε περίπτωση ασθένειας. «Θα θέλαμε να έχουμε τα μοχλούς για να ενισχύσουμε ή να αποδυναμώσουμε τις συνάψεις, αυτό είναι σίγουρο», λέει ο Littleton. «Και έτσι, γνωρίζοντας το πλήρες φάσμα των μοχλών που μπορούμε να τραβήξουμε για να αλλάξουμε δυνητικά την έξοδο, θα ήταν συναρπαστικό.»

Η εξέλιξη των νεογέννητων συνάψεων

Στην έρευνα, οι επιστήμονες μελέτησαν νευρώνες που στέλνουν τον νευροδιαβιβαστή γλουταμάτη μέσα από συνάψεις για να ελέγξουν τους μύες στις προνύμφες μυγών. Για να μελετήσουν πώς οι ενεργές ζώνες στα ζώα ωρίμαζαν, οι επιστήμονες χρειάστηκε να παρακολουθήσουν την ηλικία τους. Αυτό δεν ήταν δυνατό προηγουμένως, αλλά η Yuliya Akbergenova ξεπέρασε το εμπόδιο με την έξυπνη τεχνολογία του φθορίζοντος πρωτεΐνης mMaple, η οποία αλλάζει το χρώμα της από πράσινο σε κόκκινο όταν εκτίθεται σε 15 δευτερόλεπτα υπεριώδους φωτός, ενσωματώνοντάς την σε ένα συστατικό των υποδοχέων της γλουταμάτης στην πλευρά λήψης της σύναψης.

Η παρακολούθηση της ανάπτυξης των ενεργών ζωνών

Με την ικανότητα να παρακολουθούν την “ηλικία” κάθε ενεργής ζώνης, οι συγγραφείς μπορούσαν να καταγράψουν πώς οι ενεργές ζώνες ανέπτυξαν την ικανότητά τους να αυξάνουν την απόδοση τους κατά τη διάρκεια ημερών μετά τη “γέννηση”. Οι ερευνητές παρακολούθησαν πραγματικά τη διαδικασία κατασκευής των συνάψεων για πολλές ώρες, ετικετοποιώντας κάθε ένα από τα οκτώ είδη πρωτεϊνών που αποτελούν μια ενεργή ζώνη. Αρχικά, οι ενεργές ζώνες δεν μπορούσαν να μεταδώσουν τίποτα. Στη συνέχεια, καθώς συσσωρεύονταν ορισμένες βασικές πρώιμες πρωτεΐνες, μπορούσαν να στείλουν γλουταμάτη αυθόρμητα, αλλά όχι αν διεγείρονταν ηλεκτρικά από τον οικοδεσπότη νευρώνα τους (προσομοιάζοντας πώς μπορεί να σηματοδοτηθεί φυσικά αυτός ο νευρώνας σε ένα κύκλωμα). Μόνο μετά την άφιξη περισσοτέρων πρωτεϊνών, οι ενεργές ζώνες απέκτησαν τη δομή για να επιτρέπουν στα ιόντα ασβεστίου να προκαλούν τη σύντηξη των κυστιδίων γλουταμάτης με την κυτταρική μεμβράνη για επαγόμενη απελευθέρωση μέσω της σύναψης.

Η σημασία της δραστηριότητας

Φυσικά, η κατασκευή δεν συνεχίζεται για πάντα. Σε κάποιο σημείο, η προνύμφη της μύγας σταματά να χτίζει μια σύναψη και μετά χτίζει νέες πιο κάτω, καθώς ο νευρικός άξονας επεκτείνεται για να συμβαδίσει με τους αναπτυσσόμενους μύες. Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν η νευρωνική δραστηριότητα είχε ρόλο στην ολοκλήρωση μιας ενεργής ζώνης και τη μετάβαση στην κατασκευή της επόμενης.

Παρεμβάσεις για τη μελέτη της συνάπτικής δραστηριότητας

Για να το διαπιστώσουν, χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές παρεμβάσεις για να εμποδίσουν τις ενεργές ζώνες να απελευθερώνουν γλουταμάτη, εμποδίζοντας έτσι τη συνάπτική δραστηριότητα. Σημαντικό είναι ότι μια από τις μεθόδους που επέλεξαν ήταν να μπλοκάρουν τη δράση μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται Synaptotagmin 1. Αυτό είναι σημαντικό διότι οι μεταλλάξεις που διαταράσσουν την πρωτεΐνη στους ανθρώπους συνδέονται με σοβαρή διανοητική αναπηρία και αυτισμό. Επιπλέον, οι ερευνητές προσαρμόσαν τις παρεμβάσεις που μπλοκάρουν τη δραστηριότητα σε έναν μόνο νευρώνα σε κάθε προνύμφη, διότι το μπλοκάρισμα της δραστηριότητας σε όλους τους νευρώνες τους θα ήταν θανατηφόρο.

Αποτελέσματα των παρεμβάσεων

Σε νευρώνες όπου οι ερευνητές μπλόκαραν τη δραστηριότητα, παρατήρησαν δύο συνέπειες: οι νευρώνες σταμάτησαν να χτίζουν νέες ενεργές ζώνες και αντ’ αυτού συνέχισαν να κάνουν τις υπάρχουσες ενεργές ζώνες μεγαλύτερες και μεγαλύτερες. Ήταν σαν ο νευρώνας να μπορούσε να καταλάβει ότι η ενεργή ζώνη δεν απελευθέρωνε γλουταμάτη και προσπαθούσε να την κάνει να λειτουργήσει δίνοντάς της περισσότερο πρωτεϊνικό υλικό. Αυτή η προσπάθεια έγινε εις βάρος της έναρξης κατασκευής νέων ενεργών ζωνών.

Επεξηγήσεις και συμπεράσματα

«Νομίζω ότι αυτό που προσπαθεί να κάνει είναι να αντισταθμίσει την απώλεια δραστηριότητας», λέει ο Littleton. Οι δοκιμές έδειξαν ότι οι διευρυμένες ενεργές ζώνες που οι νευρώνες κατασκεύασαν με την ελπίδα να επανεκκινήσουν τη δραστηριότητα ήταν λειτουργικές (ή θα ήταν αν οι ερευνητές δεν τις μπλόκαραν τεχνητά). Αυτό υπέδειξε ότι ο τρόπος με τον οποίο ο νευρώνας αντιλήφθηκε ότι δεν απελευθερωνόταν γλουταμάτη ήταν πιθανώς ένα σήμα ανατροφοδότησης από την πλευρά του μυός της σύναψης. Για να το δοκιμάσουν, οι επιστήμονες αφαίρεσαν ένα συστατικό του υποδοχέα της γλουταμάτης στον μυ, και όταν το έκαναν, διαπίστωσαν ότι οι νευρώνες δεν έκαναν πλέον τις ενεργές ζώνες τους μεγαλύτερες.

Ο Littleton λέει ότι το εργαστήριο ήδη ερευνά τα νέα ερωτήματα που εγείρουν οι ανακαλύψεις. Συγκεκριμένα: Ποια είναι τα μοριακά μονοπάτια που ξεκινούν τον σχηματισμό συνάψεων από την αρχή και ποια είναι τα σήματα που λένε σε μια ενεργή ζώνη ότι έχει τελειώσει την ανάπτυξή της; Η εύρεση αυτών των απαντήσεων θα φέρει τους ερευνητές πιο κοντά στην κατανόηση του πώς να παρέμβουν όταν οι ενεργές ζώνες συνάψεων δεν αναπτύσσονται σωστά.

Εκτός από τον Littleton και την Akbergenova, άλλοι συγγραφείς της μελέτης είναι οι Jessica Matthias και Sofya Makeyeva. Εκτός από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Freedom Together Foundation παρείχε χρηματοδότηση για τη μελέτη.