Текст уведомления здесь

У нейронов нашли тонкий механизм «самоконтроля» и повышения точности передачи сигналов

Мембранные каналы, чувствительные одновременно к калию и кальцию, помогают нервным клеткам без искажений передавать друг другу очень частые и короткие сигналы.
Добавить в закладки
Комментарии

Сотрудники Института высшей нервной деятельности и физиологии РАН и Института биоорганической химии РАН совместно с зарубежными коллегами обнаружили в нейронах зрительной коры крыс новый тип синаптической пластичности. Он позволяет передавать сигналы c большей частотой и за счет этого точнее «сообщать» нервным клеткам о происходящих событиях. Точность и скорость в данном случае достигаются за счет особых калиевых каналов BK-типа, чувствительных также к кальцию. Научная статья опубликована в журнале Science Advances.

Многие сигналы, которые нервные клетки передают друг другу и клеткам иных типов, генерируются за счет разности потенциалов на их мембранах. Она возникает из-за того, что внутри нейрона и снаружи от него концентрации заряженных частиц (ионов), прежде всего K+, Na+ и Cl-, отличаются. Различия возникают за счет того, какие типы ионных каналов расположены на мембране конкретной клетки, сколько их и какой их процент активен. Ионный канал — это белок из нескольких субъединиц с отверстием между ними, встроенный в наружную или одну из внутренних мембран клетки и пропускающий через себя ионы. Активность одних каналов влияет на функционирование других, так как часто они «срабатывают» в ответ на изменение разности потенциалов на клеточной мембране и/или изменение концентрации определенного иона.

Один из таких ионных каналов пропускает калий и обладает значительными для белка размерами, поэтому называется Big Potassium channel, сокращенно BK (K здесь от обозначения химического элемента калия). Он активируется после того, как концентрация ионов кальция внутри клетки достигнет определенного значения, и начинает проводить калий. Повышение внутриклеточной концентрации кальция происходит, например, когда нейрон посылает несколько потенциалов действия (ПД) — мощных по клеточным меркам электрических сигналов. Как правило, каждый из них длится меньше десяти миллисекунд. После окончания одного ПД клетке требуется еще несколько миллисекунд, чтобы восстановить разность потенциалов на мембране. Его обеспечивают несколько типов калиевых каналов с разной чувствительностью, и BK-каналы входят в их число.

Передача сигналов происходит в особых местах контакта — синапсах. Именно там, а конкретно в синаптических бутонах (калька с английского synaptic bouton) на длинном отростке нейрона, аксоне, чаще всего и находятся BK-каналы. Их вклад в возникновение и прекращение потенциала действия авторы статьи детально изучили с помощью метода пэтч-кламп: к мембране исследуемого нейрона подводили очень тонкий стеклянный электрод, который быстро реагировал на изменение разности потенциалов на ней. Расположение синаптических бутонов выявляли с помощью флуоресцирующего зеленым вещества SypHer2, разработанного в Институте биоорганической химии.

Чтобы увидеть, в каких частях клетки концентрация ионов кальция Ca2+ растет, а в каких снижается, использовали флуоресцентный краситель Alexa Fluor 594, который светился красным тем ярче, чем больше Ca2+ находилось рядом с его молекулами. При этом концентрация ионов кальция в исследуемом нейроне менялась не случайно: ею управляли, выпуская Ca2+ наружу из модифицированной этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), чувствительной к излучению определенной длины волны. Нужное количество молекул ЭДТА вводили в нейрон еще до измерения разности потенциалов на его мембране. Во время эксперимента исследователи направляли лазерный импульс на синаптический бутон, в результате чего Ca2+ в нем отделялся от ЭДТА, его концентрация повышалась, и BK-каналы открывались.

Выяснилось, что увеличение концентрации ионов кальция в синаптических бутонах приводит к изменению длительности и формы потенциалов действия, генерируемых клеткой — «хозяйкой» бутона. ПД становятся короче, а график, отражающий изменение разности потенциалов на мембране нейрона во времени, выглядит более острым. Это позволяет передавать больше потенциалов действия в единицу времени. Описанная ситуация касается прежде всего синаптических бутонов, расположенных близко к основанию аксона, то есть недалеко от тела клетки. То, что такой эффект обеспечивают именно BK-каналы, подтвердила серия экспериментов, когда в исследуемый нейрон вводили их блокатор, ибериотоксин из яда индийского скорпиона Mesobuthus tamulus. В его присутствии длительность и форма потенциалов действия оставалась такой же, как и до высвобождения Ca2+.

Действие BK-каналов, обнаруженное авторами статьи, представляет собой необычную форму синаптической пластичности — способности нейрона менять восприимчивость к чужим сигналам, а также генерировать свои собственные за счет изменения свойств контактов с другими клетками. Чаще бывает так, что нейрон, принимающий сигнал, дает обратную связь той клетке, от которой его получил. Тогда как в данном случае нейрон сам настраивает режим своей работы (т.е. генерации потенциалов действия, их длины и частоты) на основе «памяти» о предыдущих событиях. Под предыдущими событиями тут имеются в виду ПД, вызвавшие повышение концентрации ионов кальция в синаптическом бутоне вблизи основания аксона. В работе эти потенциалы действия имитировали высвобождением Ca2+ из молекул ЭДТА под действием лазера. Такая форма нейронного «самоконтроля» ранее не была известна.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы