В исследовании, опубликованном в онлайн-выпуске журнала Science на этой неделе, постдокент Николас Вилета и профессор Питер Йонас из Института науки и технологий Австрии раскрывают существование слабой связи между кальциевыми каналами и высвобождающими датчиками экзоцитоза в зрелом центральном синапсе в мозгу грызунов. Исследователи показывают, что слабая связь обеспечивает основу для пресинаптической пластичности, отличительной чертой синаптической передачи сигналов в микросхемах гиппокампа.
Передача информации в синапсе между нейронами представляет собой очень сложную, но в то же время очень быструю серию событий. Когда изменение напряжения, так называемый потенциал действия, достигает синаптического конца в пресинаптическом нейроне, кальций течет через потенциалзависимые кальциевые каналы в пресинаптический нейрон. Этот приток приводит к увеличению внутриклеточной концентрации кальция. Затем кальций связывается с сенсором кальция в пресинаптическом окончании, который, в свою очередь, запускает высвобождение везикул, содержащих нейротрансмиттеры, в синапс. Освободившийся нейромедиатор связывается с постсинаптическими рецепторами, что приводит к ответу в постсинаптическом нейроне. Связь между кальциевыми каналами и датчиками экзоцитоза играет ключевую роль в определении скорости, времени и вероятности синаптической передачи. В мозгу возникают две формы сцепления: плотная или плотная "нанодомен" соединение, каналы и датчики расположены очень близко друг к другу, на расстоянии от 10 до 20 нм, в то время как в свободном состоянии, или "микродомен" соединение, канал и датчик расположены дальше друг от друга, примерно в 100 нм. Предыдущие исследования показывают, что слабое сцепление происходит в синапсах на раннем этапе развития, в то время как сильное сцепление наблюдается в зрелой центральной нервной системе. В своей текущей статье Вилета и Йонас спрашивают, использует ли синапс в зрелой центральной нервной системе слабую связь, учитывая преимущества сильной связи, включая скорость, временную точность, точность и энергоэффективность синаптической передачи? И если это произойдет, каковы последствия для функции синаптической передачи??
В центре внимания этого исследования был специфический синапс в гиппокампе, синапс из мшистых волокон на пирамидных нейронах CA3, доступный для прямой записи с использованием метода патч-зажима и обладающий высокой степенью пластичности. Чтобы выяснить, происходит ли слабое или сильное сцепление в этом синапсе, Вилета и Джонас использовали хелаторы кальция, которые захватывают ионы кальция на пути от источника к датчику, чтобы исследовать временные рамки и расстояние связывания. Если только быстродействующий хелатор, BAPTA, может ингибировать экзоцитоз и синаптическую передачу, но медленный хелатор EGTA не может, действует тесная связь, тогда как при слабой связи как быстрые, так и медленные хелаторы могут ингибировать передачу. Поскольку как быстрые, так и медленные хелаторы подавляют передачу в исследуемом синапсе, результаты свидетельствуют о слабой связи между каналами и датчиками со средним расстоянием связи около 75 нм.
Почему слабая связь, которая, вероятно, медленнее и менее надежна, чем сильная связь, существует в синапсе нейрона, покрытого мхом, пирамидального волокна?? Дальнейшие результаты Vyleta и Jonas показывают, что из-за слабой связи быстрые эндогенные кальциевые буферы в синапсе могут действовать как тормоз при передаче, контролируя, насколько вероятно начальное высвобождение нейромедиатора. Слабая связь обеспечивает временные рамки для эндогенных буферов, чтобы воздействовать на синаптическую передачу. Насыщение эндогенных буферов после повторной стимуляции также может способствовать облегчению – феномену, при котором импульсы с большей вероятностью генерируют потенциалы действия, если они внимательно следуют за предыдущим импульсом.
Новые результаты ставят под сомнение точку зрения о том, что слабое сцепление является феноменом развития, демонстрируя вместо этого, что сцепление регулируется специфическим для синапсов образом. Слабая связь преимущественно используется в динамических и пластичных синапсах как в развивающемся, так и в зрелом мозге. Вместе с быстрыми эндогенными кальциевыми буферами слабое сцепление канал-датчик может обеспечить молекулярную основу для пресинаптической пластичности, отличительной чертой нейронов гиппокампа.