Понимание детальной работы синапса — соединения между нейронами, которые управляют тем, как эти клетки общаются друг с другом, — жизненно важно для моделирования сетей мозга и понимания того, как такие разнообразные заболевания, как депрессия, болезнь Альцгеймера или шизофрения, могут влиять на функцию мозга. исследователи.
Исследование опубликовано 23 марта в журнале Neuron.
Изучение активных нейронов крыс, даже тех, которые растут в посуде, является сложной задачей, потому что они такие маленькие.
Кроме того, они движутся, что затрудняет удержание их в фокусе при большом увеличении под световым микроскопом.
«Синапсы — это маленькие наноразмерные машины, которые передают информацию», — сказал старший автор Виталий А. Клячко, кандидат медицинских наук, доцент кафедры клеточной биологии и физиологии медицинского факультета. "Их очень сложно изучать, потому что их масштаб ниже того, что могут разрешить обычные световые микроскопы.
Так что происходящее в активной зоне синапса выглядит размытым.
«Чтобы исправить это, наш изготовленный по индивидуальному заказу микроскоп имеет очень чувствительную камеру и чрезвычайно стабилен при температуре тела, но большая часть нововведений связана с анализом изображений», — добавил он. «Наш подход дает нам возможность разрешать события в синапсе с высокой точностью."
До сих пор крупные планы активной зоны обеспечивались электронными микроскопами.
Предлагая разрешение всего в несколько десятков нанометров — примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса и меньше — электронные микроскопы не могут видеть живые клетки. Чтобы выдержать бомбардировку электронами, образцы должны быть закреплены в эпоксидной смоле или мгновенно заморожены, разрезаны на очень тонкие ломтики и покрыты слоем атомов металла.
«Большая часть того, что мы знаем об активной зоне, получено из косвенных исследований, в том числе красивых изображений электронной микроскопии», — сказал Клячко, также доцент кафедры биомедицинской инженерии в Школе инженерии и прикладных наук. "Но это статичные картинки. Мы хотели разработать способ увидеть функцию синапса."
Синапс состоит из крошечной щели между двумя нервами, при этом один нерв служит передатчиком, а другой — приемником. При отправке сигналов передающая сторона синапса высвобождает небольшие пакеты нейротрансмиттеров, которые проходят через разрыв и связываются с рецепторами на принимающей стороне, завершая информационное реле.
На передающей стороне синапса нейротрансмиттеры в активной зоне упакованы в синаптические пузырьки.
"Один из самых фундаментальных вопросов: есть ли много мест в активной зоне, где везикула может высвобождать свои нейротрансмиттеры в промежуток, или есть только один?"Клячко сказал. "Многие косвенные измерения предполагают, что может быть только один, а может быть, два-три, самое большее."
Другими словами, если бы активную зону можно было сравнить с душевой лейкой, вопрос был бы в том, работает ли она больше как одиночная струя или как ливневый душ.
Клячко и первый автор Дарио Маски, доктор философии, докторант, показали, что активная зона больше похожа на ливневый дождь.
Но это не случайный душ; в активной зоне разбросано около 10 локаций, которые слишком часто используются повторно, чтобы оставлять их на волю случая. Они также обнаружили, что существует предел скорости повторного использования этих сайтов — должно пройти около 100 миллисекунд, прежде чем отдельный сайт можно будет снова использовать. А при более высоких скоростях высвобождения везикул участок использования имеет тенденцию перемещаться от центра к периферии активной зоны.
«Нейроны часто срабатывают от 50 до 100 раз в секунду, поэтому имеет смысл иметь несколько сайтов», — сказал Клячко. "Если один сайт был только что использован, активная зона все еще может передавать сигналы через другие свои сайты.
«Мы изучаем самые основные механизмы мозга», — добавил он. "Наши данные показывают, что эти машины очень тонко настроены — даже незначительные изменения могут привести к болезни. Но прежде чем мы сможем изучать болезнь, нам нужно понять, как работают здоровые синапсы."