Biomoleculaire bonsai: controle over het snoeien en versterken van neurontakken

Biomoleculaire bonsai: controle over het snoeien en versterken van neurontakken

Op dit moment gebruiken de miljarden neuronen in je hersenen hun triljoenen verbindingen om je in staat te stellen deze zin te lezen en te begrijpen.

Nu, door de neuronen te bestuderen die betrokken zijn bij de reukzin, rapporteren onderzoekers van de faculteit Medische Wetenschappen van Kyushu University een nieuw mechanisme achter de biomoleculaire bonsai die deze verbindingen selectief versterkt.

Hoe neuronale circuits zichzelf in de loop van de tijd hermodelleren, vooral tijdens de vroege ontwikkeling, is een open vraag in de neurobiologie. Aan het begin van de neuronale ontwikkeling vormen neuronen buitensporige hoeveelheden verbindingen die geleidelijk worden geëlimineerd naarmate andere worden versterkt.

Bij het bestuderen van een type reukneuron dat bekend staat als een mitraliscel bij muizen, ontdekte het onderzoeksteam dat het eiwit BMPR-2 een van de belangrijkste regulatoren is van selectieve stabilisatie van neuronvertakkingen en dat de versterking alleen plaatsvindt wanneer de tak signalen ontvangt van andere neuronen .

"Een van de belangrijkste redenen waarom we olfactorische neuronen gebruiken, is omdat ze gemakkelijk toegankelijk zijn en gemakkelijk te bestuderen zijn, en mitraliscellen ontwikkelen slechts een enkele tak", legt Shuhei Aihara uit, eerste auteur van de studie gepubliceerd in Cell Reports.

“Als een reukneuron een specifiek molecuul detecteert dat we ruiken, stuurt het het signaal naar een specifiek 'tussenstation' in de reukbol van de hersenen, een glomerulus genaamd. Dat signaal wordt vervolgens via mitraliscellen naar de hersenen gestuurd. Eén mitraliscel ontvangt signalen voor één specifieke geur.”

In een zeer vroeg ontwikkelingsstadium sturen deze mitraliscellen vertakkingen naar vele glomeruli. Naarmate de tijd vordert, worden deze takken - bekend als dendrieten - weggesnoeid om slechts een enkele, sterke verbinding over te laten. Het onderzoeksteam ging op zoek naar het soort moleculaire signalen die ervoor zorgden dat de ene tak de voorkeur kreeg boven de andere.

Biomoleculaire bonsai: controle over het snoeien en versterken van neurontakken

Na het analyseren van kandidaat-factoren waarvan bekend is dat ze dendritische groei en hermodellering van extrinsieke signalen beheersen, concentreerde het team zich op het eiwit BMPR-2.

"Toen we BMPR-2 verstoorden, zouden mitraliscellen falen in de selectieve stabilisatie en meerdere verbindingen vormen met meerdere glomeruli", legt Aihara uit. "In onze volgende stap ontdekten we dat BMPR-2 gebonden is aan een eiwit genaamd LIMK, en alleen wanneer BMPR-2 wordt geactiveerd door het celsignalerende eiwit genaamd BMP, geeft het LIMK vrij in de cel."

Van LIMK is bekend dat het het proces activeert om actine te assembleren, het 'skelet' van de cel. Eenmaal geactiveerd, begint actine lange vezels te bouwen die dendrieten stabiliseren.

Dit verklaarde echter nog steeds niet hoe dit mechanisme specifieke dendrieten versterkt. De volgende stap van het team was om de elementen te vinden die LIMK activeren. Hun onderzoek bracht hen ertoe een bekende neurotransmitter, glutaminezuur, te identificeren als een van de factoren die het proces op gang brachten.

“Glutaminezuur is nodig om signalen tussen neuronen door te geven. Alles bij elkaar betekent dit dat zowel BMP als neurale signalen nodig zijn om actine te vormen, waardoor de constructie van een stabiele dendriet wordt geïnduceerd”, zegt Aihara.

“Het is als de rem en het gaspedaal in je auto. U moet de rem loslaten, in dit geval BMPR-2, LIMK vrijgeven, en vervolgens het gaspedaal indrukken - het neurotransmittersignaal - om uw machine vooruit te laten gaan. De noodzaak van gelijktijdige besturing, of inputs, is de basis van selectieve vertakkingsstabilisatie.”

Takeshi Imai, die het team leidde, concludeert: "Hopelijk kunnen deze nieuwe inzichten in neurale ontwikkeling leiden tot een beter begrip van de fundamentele mechanismen achter kritieke hersenfuncties en mogelijke behandelingen van pathologieën die worden onderstreept door synaptische disfunctie."

"Onze volgende stap is om de factoren te vinden die het snoeien van dendriet bevorderen, en we willen ook zien of dit mechanisme in de bulbus olfactorius fundamenteel is in de hele neocortex."