Bonsai biomolekuler: Mengontrol pemangkasan dan penguatan cabang neuron

Bonsai biomolekuler: Mengontrol pemangkasan dan penguatan cabang neuron

Pada saat ini, miliaran neuron di otak Anda menggunakan triliunan koneksinya untuk memungkinkan Anda membaca dan memahami kalimat ini.

Sekarang, dengan mempelajari neuron yang terlibat dalam indera penciuman, para peneliti dari Fakultas Ilmu Kedokteran Universitas Kyushu melaporkan mekanisme baru di balik bonsai biomolekuler yang secara selektif memperkuat koneksi ini.

Bagaimana sirkuit saraf merombak diri mereka sendiri dari waktu ke waktu, terutama selama perkembangan awal, adalah pertanyaan terbuka dalam neurobiologi. Pada awal perkembangan neuron, neuron membentuk jumlah koneksi yang berlebihan yang secara bertahap dihilangkan saat yang lain diperkuat.

Mempelajari jenis neuron penciuman yang dikenal sebagai sel mitral pada tikus, tim peneliti menemukan bahwa protein BMPR-2 adalah salah satu pengatur utama stabilisasi selektif percabangan neuron dan penguatan hanya terjadi ketika cabang menerima sinyal dari neuron lain. .

“Alasan utama kami menggunakan neuron penciuman adalah karena mereka mudah diakses dan dipelajari, dan sel mitral hanya mengembangkan satu cabang,” jelas Shuhei Aihara, penulis pertama studi yang diterbitkan di Laporan sel.

“Ketika neuron penciuman mendeteksi molekul tertentu yang kita cium, ia mengirimkan sinyal ke 'stasiun jalan' tertentu di bola penciuman otak yang disebut glomerulus. Sinyal itu kemudian diteruskan ke otak melalui sel mitral. Satu sel mitral menerima sinyal untuk satu bau tertentu.”

Pada tahap yang sangat awal dalam perkembangannya, sel-sel mitral ini mengirim cabang ke banyak glomeruli. Seiring berjalannya waktu, cabang-cabang ini—dikenal sebagai dendrit—dipangkas sehingga hanya menyisakan satu sambungan yang kuat. Tim peneliti berangkat untuk mengungkap isyarat molekuler seperti apa yang menyebabkan satu cabang lebih disukai daripada yang lain.

Bonsai biomolekuler: Mengontrol pemangkasan dan penguatan cabang neuron

Setelah menganalisis faktor kandidat yang diketahui mengendalikan pertumbuhan dendritik dan remodeling dari sinyal ekstrinsik, tim fokus pada protein BMPR-2.

“Ketika kami mengganggu BMPR-2, sel mitral akan gagal dalam stabilisasi selektif dan membentuk banyak koneksi ke beberapa glomeruli,” jelas Aihara. “Pada langkah kami selanjutnya, kami menemukan bahwa BMPR-2 terikat pada protein yang disebut LIMK, dan hanya ketika BMPR-2 diaktifkan oleh protein pensinyalan sel yang disebut BMP, ia melepaskan LIMK ke dalam sel.”

LIMK diketahui mengaktifkan proses untuk merakit aktin, 'kerangka' sel. Setelah diaktifkan, aktin mulai membangun serat panjang yang menstabilkan dendrit.

Namun, ini masih belum menjelaskan bagaimana mekanisme ini memperkuat dendrit tertentu. Langkah tim selanjutnya adalah menemukan elemen yang mengaktifkan LIMK. Penyelidikan mereka mengarahkan mereka untuk mengidentifikasi neurotransmitter terkenal, asam glutamat, sebagai salah satu faktor yang memulai proses tersebut.

“Asam glutamat diperlukan agar sinyal ditransmisikan antar neuron. Secara bersama-sama, ini berarti bahwa BMP dan sinyal saraf diperlukan untuk membentuk aktin, sehingga mendorong pembangunan dendrit yang stabil, ”kata Aihara.

“Ini seperti rem dan akselerator di mobil Anda. Anda perlu melepaskan rem, dalam hal ini BMPR-2 melepaskan LIMK, lalu tekan akselerator—sinyal neurotransmitter—agar mesin Anda bergerak maju. Perlunya kontrol simultan, atau input, adalah dasar dari stabilisasi cabang selektif.”

Takeshi Imai, yang memimpin tim, menyimpulkan, "Semoga wawasan baru tentang perkembangan saraf ini dapat mengarah pada pemahaman lebih lanjut tentang mekanisme mendasar di balik fungsi otak kritis dan kemungkinan perawatan ke dalam patologi yang digarisbawahi oleh disfungsi sinaptik."

“Langkah kami selanjutnya adalah menemukan faktor-faktor yang mendorong pemangkasan dendrit, dan kami juga ingin melihat apakah mekanisme di bulbus olfaktorius ini mendasar di seluruh neokorteks.”