Pakk tankene dine rundt synapsen - bare prøv
Av David Coppedge, 29. august 2024. Oversatt herfra

Etter å ha trengt gjennom vitenskapelige journaler og artikler, forvirrer kompleksiteten i synapse-overføring meg. For at et nevralt signal skal klare seg gjennom trinnene i pakking av nevrotransmittere, å sende dem over et gap, og deretter utløse en respons i neste nevron, virker unødvendig komplisert. Dusinvis av proteiner og faktorer er involvert ved hvert synapse-kryssing.

Bilde 1. Illustrasjon av krysning

Hvorfor skulle evolusjon, eller intelligent design, ende opp med en slik metode? Det ser 'kludrete' ut. Kraftlinjene som ingeniørene bygger, fungerer ikke på den måten. De holder kontinuerlig kontakt for den direkte strømmen av elektroner. Det ville ikke være fornuftig ved hver kraftmast å konvertere strømmen til kjemisk energi og så tilbake igjen. Hvorfor gjør kroppen det?
Men man må innrømme at det fungerer veldig bra, og ekstremt raskt. Innen millisekunder kommer et signal fra foten din til hjernen og tilbake igjen. På vei gjennomgår dette signalet gjentatte ganger energikonvertering ved hver synapse. Signaler fra føttene krysser kontinuerlig nesten to meter nervefibre pakket med molekylære maskiner og ionepumper, og krysser synapser i hvert kryss. Det er uhyggelig, men det er hva biofysikere og biokjemikere har funnet. Professorer ved UC Santa Barbara anslår at noen nevrale signaler kan ferdes i over 160 km i timen!

Som en ivrig turgåer og backpacker har jeg ofte krysset bekker og gått over smale tømmerstokker over fossende vann. Jeg har hoppet fra stein til stein, for å komme over en steinur, hvert øyeblikk trenger jeg å bestemme hvor jeg skal plassere føttene mine, og tilpasse meg raskt hvis jeg føler en stein bevege seg. Flyt av informasjon fra øyne til hjerne og til føtter og tilbake igjen, gir raske og kontinuerlige tilbakemeldinger på min vei, er noe jeg er enormt takknemlig for. Disse synapsene har gitt meg oppkvikkende opplevelser og har reddet meg fra ekle fall utallige ganger. De raske, risikable bevegelsene til gymnaster og parkour -utøvere og ekorn, overskrider langt utnyttelsene mine, men noen av oss som har gått uregelmessige stier, opp og ned trapper, eller raskt unngått et bevegelig objekt, har grunn til å være interessert i hvordan kroppen oppnår rask signalering gjennom nevroner. Nå har kryo-elektronmikroskopi tillatt forskere å kikke dypere inn i mysteriene i synapsen.

Fremme kunnskap
Den grunnleggende funksjonen til synapsen har blitt forstått i mange år. Nevrotransmitter-molekyler, vanligvis glutamat (anionen til aminosyren glutaminsyre), pakkes inn i Synaptiske Vesikler (SV-) med kopi -proteiner, lik fugler i et bur. Denne prosessen er forseggjort i seg selv, som artikkelen min om Ko-atomer beskrev i fjor -lenke. Utløst av kalsium-ion -utbrudd, binder SV -ene seg til membranen som vender mot spalten og slipper nevrotransmitterne inn i gapet. Molekylene binder seg til reseptorer på mottakersiden, og utløser en annen kjede av ionekanaler som fortsetter signalet nedover nevronen. Signalet forplanter seg helt til neste synapse.

Bilde 2. Synapse med tilhørende nevrotransmitter

Så mye var kjent, men det var mange spørsmål. Biokjemikere har vært begrenset i sin evne til å se for seg detaljene i en 20-nanometer synaptisk spalte og tilstøtende nevrale reseptorer. I PNAS- lenke, beskrev Richard G. Held og kolleger fra Stanford hvordan de observerte synaptiske vesikler i nanoskopisk skala, ved å påføre kryo-elektron-tomografi etter å 'snitte' synapser fra hippocampus med fokusert ionstråle-sending. Dette ga dem et enestående syn på posisjonene til mange proteiner under bevegelse av nevrotransmittere over synapsen. Visstnok ser SV -ene ut som små baller med protein- fester -lenke for å styre dem.

Zoome inn
Jeremy S. Dittman fra Cornell kommenterte journalen i PNAS -lenke. Han oppsummerte hva som skjer som forberedelse til å krysse synapsen:
"Mange av de store spørsmålene som for øyeblikket blir utforsket av synapse- biologer, er sentrert om de mekanistiske detaljene i den eksocytiske prosessen og hvordan de to sidene av synapse-koordinerer signaloverføring med mottak, kort oppsummert som følger: På den presynaptiske siden, liten nevrotransmitter-fylte Synaptisk Vesikler (SV) -trafikk til den spalte-vendende, elektron-tette regionen i plasmamembranen betegnet en "Aktiv Sone" (AS) der de blir tett festet til membranen av et kjernesett med proteiner (en prosess kalt vesikkeldokking og grunning) . Ved ankomst av et handlingspotensial og påfølgende åpning av presynaptisk spenningsgatede Ca2+ -kanaler, tregte forhøyede Ca2+ noen av disse tilberedte SV-ene for å smelte sammen med plasmamembranen i en brøkdel av et millisekund, og raskt overførte et kjemisk signal over kløften".
Alt dette skjer i en brøkdel av et millisekund. La den synke inn.

Bilde 3. Membran med hydrofile kanaler

"En lokal reserve av SV-ere påfyller de "utgivelsesklare" vesiklene på en tidsskala for å opprettholde pågående synaptisk aktivitet. Rett etter fusjon, forsvinner massen til nevrotransmittere raskt i spalten via diffusjon, binding til transportører, og i noen synapser, ved enzymatisk nedbrytning."
Nevrotransmittere har bare et kort tidsvindu for å binde seg til en av reseptorene på de mottakende nevronene, vanligvis AMPA -reseptorer. Signalene mottas av en proteintett region kalt Post-Synaptisk Tetthet (PST).
Held et al. ønsket å vite om nevrotransmittere følger en direkte bane fra AS til reseptor, i det som har blitt kalt en "NanoKolonne" (NK). Det overraskende svaret var: Noen gjør det, men andre gjør det ikke. En Membran-Proximal Synaptisk Vesikkel (MPSV) reiser vanligvis rett til en AMPA-reseptor, men kan reise på skrå til en annen, eller til en annen reseptor som NMDA. Denne mekanismen lar muligens ytterligere informasjon formidles til det mottakende nevron.

"Enten AMPA -reseptorer ble korrigert i PSD -nanoklustere eller tilfeldig fordelt over den postsynaptiske membranen, var den gjennomsnittlige responsen til fusjon av en MPSV (gjennomsnittlig antall åpne AMPA -reseptorer) likt. Derimot ble variasjonen mellom hver distinkte MPSV -simulering økt når AMPA -reseptorer ble gruppert i stedet for jevnt fordelt. En implikasjon av denne simuleringen er at under forutsetning av at AMPA -reseptorer tar i bruk et gruppert arrangement i PSD, så har noen SV-ere en større postsynaptisk innvirkning enn andre. Gitt tidligere observasjoner om at NK-er, ved disse synapser kan endres ved synaptisk plastisitet, gir kanskje mangelen på korrelasjon mellom MPSV -er og PSD -nanokluster observert i denne studien, et underlag for å øke synaptisk styrke via å stramme inn innretningen mellom MPSV-er og PSD -reseptorklynger. Kombinert med tidligere forslag for forbedring av AMPA -reseptorklynging som respons på plastisitetsinduksjon, kan disse effektene utnytte variabiliteten som er observert på simuleringene av Held et al, for å produsere en stor forbedring i synaptisk styrke."

Bilde 4. Ett nett av nevroner

For de som er interessert i å komme inn i stoffet, gir artikkelen og kommentaren navnene på mange proteiner som er involvert i denne raske overføringen av informasjon på tvers av synapsen. Forfatterne avslutter med en uttalelse om finjustering:
"Sammen støtter dataene våre en modell der synaptisk styrke er innstilt på nivået av enkeltvesikler av det romlige forholdet mellom stillas-nanoklustre og enkelt synaptiske vesikkelfusjonssteder."

Så imponert som Dittman var av arbeidet, innser han at det etterlater mange spørsmål:
"Hvordan er AS -proteinkompleksene arrangert for å koble Ca2+ -heving til eksocytose i en så rask tidsskala? Og relatert til dette, er det spesielle steder i AS der SV-ere dokkes, primes og smelter sammen, eller kan SV-ere smelte sammen hvor som helst på AS -membranen? Er SV -fusjonssteder nøyaktig på linje med postsynaptiske reseptorklynger for å sikre maksimal reseptoraktivering? Er det forskjellige typer synaptiske overføringshendelser som formidler distinkt informasjon mellom de synaptiske partnerne?"
Det siste spørsmålet åpner muligheten for årsaker til det kludrete ved synaptisk overføring: "distinkt informasjon" kan overføres avhengig av nevrotransmitteren, banen, dens timing og reseptoren. Faktisk har et team av forskere i Kina og Singapore blitt inspirert til å etterligne synapsen i smarte bærbare materialer for å gi mer effektiv og variabel informasjonsflyt via multiplexing - dvs. formidling av flere typer informasjon over den samme kommunikasjonskanalen. Hvorfor? Fordi "informasjon i biologiske enheter formidles av løselige ionebærere i vannlige miljøer, noe som tillater integrasjon, parallellisme og optimalt strømforbruk for å kontrollere bevegelse," sa de i artikkelen som ble publisert i PNA -lenke.

Bilde 5. Proteinkompleks -via Otangelo Grasso

Beskjæring og selvjustering
I Science -lenke, skrev Somaiya og Feller om funn av Matsumoto et al -lenke. Det avslørte en automatisk "beskjærings" -prosess under utvikling som optimaliserer ordningen av synapser:
"Fungerende nevrale kretsløp er avhengige av den nøyaktige kablingen av nevroner til deres passende synaptiske partnere. Opprinnelig er disse forbindelsene upresise, med nevroner som tar kontakter med flere forskjellige potensielle partnere. Disse forbindelsene blir mer presise gjennom en prosess som kalles synaptisk beskjæring, noe som eliminerer unødvendige synapser."
For meg er det ikke nok å sitere Hebbs lov at "nye grener har en tendens til å bli lagt til på loki der spontan aktivitet av individuelle grener er mer korrelert med netthinnebølger, mens asynkron aktivitet er assosiert med eliminering av grener." Noe annet er å kontrollere synkroniseringen av aktivitet, ellers vil beskjæring bare etterlate den sterkeste grenen. En rose gartner vet når beskjæringen har blitt optimalisert for blomstring. Noe forteller et nervenettverk når optimalitet er nådd.

Bilde 6. Antall hjerne nevroner på linje med antall galakser

En annen artikkel i PNAS -lenke ga flere grunner til synapser i stedet for direkte veikryss. Xiong et al. skrev om selv stemming av presynaptiske nevroner, selv i laverestående rundorm:
"Overfor et utall av interne og ytre utfordringer, viser nevroner bemerkelsesverdig tilpasningsevne, og justerer dynamisk for å opprettholde synaptisk stabilitet og sikre troskapen til en nevral kretsfunksjon. Denne homeostatiske tilpasningsevnen er viktig ikke bare for nevral kretsintegritet, men har også implikasjoner for forskjellige psykiatriske og nevrologiske patologier. Ved den presynaptiske terminalen er tilstrømningen av kalsium gjennom spesifikke ionekanaler nødvendig for eksocytose av nevrotransmitterfylte synaptiske vesikler. Våre studier i nematoden Caenorhabditis (C-) elegans avslører en sofistikert mekanisme der overflod av presynaptiske kalsiumkanaler er negativt regulert av effektiviteten til synaptisk vesikkel-eksocytose. Denne selvregulerende mekanismen sikrer at presynaptisk nevrotransmitterfrigjøring er autonomt justert, og dermed opprettholder synaptisk funksjon og ivaretar robustheten til nevral kommunikasjon."

Nå begynner jeg å skjønne det. årsaken til kludrete synapse -design er større fleksibilitet, informasjonsflyt og tilpasningsevne. Og hvis overføringen fremdeles oppstår innen millisekunder, hvem kan klage på resultatet? Jeg kan fremdeles hoppe på den berget uten å falle. Livet er godt.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 7)
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.