Bonsai biomolekularne: Kontrolowanie przycinania i wzmacniania gałęzi neuronów

Bonsai biomolekularne: Kontrolowanie przycinania i wzmacniania gałęzi neuronów

W tej chwili miliardy neuronów w twoim mózgu używają bilionów połączeń, aby umożliwić ci przeczytanie i zrozumienie tego zdania.

Teraz, badając neurony zaangażowane w zmysł węchu, naukowcy z Wydziału Nauk Medycznych Uniwersytetu Kiusiu donoszą o nowym mechanizmie stojącym za biomolekularnym bonsai, który selektywnie wzmacnia te połączenia.

Sposób, w jaki obwody neuronalne przebudowują się w czasie, zwłaszcza we wczesnym okresie rozwoju, jest w neurobiologii kwestią otwartą. Na początku rozwoju neuronów neurony tworzą nadmierne ilości połączeń, które są stopniowo eliminowane, gdy inne są wzmacniane.

Badając typ neuronu węchowego znanego jako komórka mitralna u myszy, zespół badawczy odkrył, że białko BMPR-2 jest jednym z kluczowych regulatorów selektywnej stabilizacji rozgałęzień neuronów i że wzmocnienie następuje tylko wtedy, gdy gałąź otrzymuje sygnały od innych neuronów .

„Głównym powodem, dla którego używamy neuronów węchowych, jest to, że są one łatwo dostępne i badane, a komórki mitralne rozwijają tylko jedną gałąź” – wyjaśnia Shuhei Aihara, pierwszy autor badania opublikowanego w Raporty komórkowe.

„Kiedy neuron węchowy wykryje określoną cząsteczkę, którą wyczuwamy, wysyła sygnał do określonej „stacji pośredniej” w opuszce węchowej mózgu zwanej kłębuszkiem nerkowym. Sygnał ten jest następnie przekazywany do mózgu przez komórki mitralne. Jedna komórka mitralna odbiera sygnały dla jednego konkretnego zapachu”.

Na bardzo wczesnym etapie rozwoju te komórki mitralne wysyłają gałęzie do wielu kłębków nerkowych. W miarę upływu czasu gałęzie te — znane jako dendryty — są przycinane, aby pozostawić tylko jedno silne połączenie. Zespół badawczy postanowił odkryć, jakiego rodzaju sygnały molekularne powodują, że jedna gałąź jest faworyzowana w stosunku do innych.

Bonsai biomolekularne: Kontrolowanie przycinania i wzmacniania gałęzi neuronów

Po przeanalizowaniu potencjalnych czynników, o których wiadomo, że kontrolują wzrost dendrytów i przebudowę na podstawie sygnałów zewnętrznych, zespół skupił się na białku BMPR-2.

„Kiedy zakłóciliśmy BMPR-2, komórki mitralne nie osiągnęłyby selektywnej stabilizacji i utworzyły wiele połączeń z wieloma kłębuszkami”, wyjaśnia Aihara. „W naszym następnym kroku odkryliśmy, że BMPR-2 jest związany z białkiem zwanym LIMK i tylko wtedy, gdy BMPR-2 jest aktywowany przez białko sygnalizacyjne komórki zwane BMP, uwalnia LIMK do komórki”.

Wiadomo, że LIMK aktywuje proces gromadzenia aktyny, „szkieletu” komórki. Po aktywacji aktyna zaczyna budować długie włókna, które stabilizują dendryty.

Jednak nadal nie wyjaśniało to, w jaki sposób ten mechanizm wzmacnia określone dendryty. Kolejnym krokiem zespołu było znalezienie elementów aktywujących LIMK. Ich dochodzenie doprowadziło ich do zidentyfikowania dobrze znanego neuroprzekaźnika, kwasu glutaminowego, jako jednego z czynników rozpoczynających ten proces.

„Kwas glutaminowy jest niezbędny do przekazywania sygnałów między neuronami. Podsumowując, oznacza to, że zarówno BMP, jak i sygnały nerwowe są niezbędne do wytworzenia aktyny, wywołując w ten sposób budowę stabilnego dendrytu”, stwierdza Aihara.

„To jak hamulec i pedał gazu w twoim samochodzie. Musisz zwolnić hamulec, w tym przypadku BMPR-2 zwalniający LIMK, a następnie wcisnąć akcelerator – sygnał neuroprzekaźnika – aby twoja maszyna ruszyła do przodu. Konieczność jednoczesnej kontroli lub nakładów jest podstawą selektywnej stabilizacji gałęzi.”

Takeshi Imai, który kierował zespołem, podsumowuje: „Mam nadzieję, że ten nowy wgląd w rozwój neuronalny może doprowadzić do lepszego zrozumienia fundamentalnych mechanizmów stojących za krytycznymi funkcjami mózgu i możliwych sposobów leczenia patologii podkreślanych przez dysfunkcję synaptyczną”.

„Naszym następnym krokiem jest znalezienie czynników, które sprzyjają przycinaniu dendrytów, a także chcemy sprawdzić, czy ten mechanizm w opuszce węchowej ma fundamentalne znaczenie w całej korze nowej”.