Июль 14, 2005
Ла-Хойя, Калифорния. В каждом учебнике по нейробиологии неизменно утверждается, что нервные клетки общаются друг с другом через синапсы, специализированные межклеточные контакты, находящиеся на концах нитевидных отростков клеток. В журнале этой недели Наука, исследователи из Института биологических наук Солка и Калифорнийского университета в Сан-Диего сообщают, что нервным клеткам или нейронам, возможно, не придется полагаться на традиционно определенные синапсы, чтобы «разговаривать» друг с другом.
Новое исследование показывает, что нервные клетки также могут высвобождать нейротрансмиттеры вне синапсов. Нейротрансмиттеры — это химические мессенджеры, которые нервные клетки используют для передачи исходящих сигналов соседним нейронам. Ученые Солка называют высвобождение нейротрансмиттеров вне синапсов «эктопической нейротрансмиссией».
Новое исследование предполагает, что межклеточные коммуникации в других частях нервной системы также могут зависеть от эктопической нейротрансмиссии. Это открытие является дополнительной проблемой для описаний передачи нейронных сигналов, которые можно найти в учебниках по нейробиологии.
«Наши результаты открыли возможность того, что нейроны могут общаться многими другими способами, а не только в традиционных местах, определяемых их анатомией», — говорит ведущий исследователь. Терренс Дж. Сейновски, который возглавляет Центр вычислительной и теоретической биологии Крика-Джейкобса в Институте Солка. Чтобы исследовать межклеточную коммуникацию в нервной системе, Сейновски и его коллеги разработали компьютерную модель, имитирующую передачу сигнала в определенном синапсе у куриных эмбрионов. Компьютерная модель убедила Сейновски и его сотрудников в том, что, возможно, пришло время переосмыслить межклеточную коммуникацию в нервной системе.
В прошлом предположение о том, что нейротрансмиттеры могут высвобождаться и находить свои цели за пределами четко определенных синапсов, считалось почти еретическим.
Для переосмысления стандартной модели нейротрансмиссии потребовалось уникальное сотрудничество между анатомами и физиологами из Калифорнийского университета в Сан-Диего и нейробиологами-теоретиками из Института Солка. Дарвин Берг из отдела биологии предоставил физиологические данные, на которых была основана модель, а Марк Эллисман из отдела неврологии создал реконструкцию структуры с высоким разрешением с помощью высоковольтной электронной микроскопии.
«В дополнение к открытию внематочной передачи это самый первый случай, когда все эти элементы были объединены», — говорит Сейновски. «Объединение математического моделирования с физиологическими, анатомическими и поведенческими данными — это будущее нейробиологии. Это позволяет нам делать выводы, к которым мы не смогли бы прийти никаким другим способом».
Согласно учебникам, нервные сигналы передаются от клетки к клетке только через специализированные соединения. Передающий нейрон имеет слегка вздутую конечную точку, в которой находятся небольшие пузырьки, заполненные нейротрансмиттером. При поступлении нервного сигнала везикулы выплескивают свое содержимое в узкое пространство между двумя клетками. Высвобожденные молекулы нейротрансмиттера проходят через щель к соседней нервной клетке и связываются со специфическими рецепторными белками на мембране принимающей клетки. Если принимающей клеткой является нейрон, связывание нейротрансмиттера будет генерировать электрический импульс, который распространяется по длине клетки. Если принимающая клетка является мышечной клеткой, она будет стимулироваться к сокращению.
Основываясь на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа высокого разрешения, научный сотрудник Джей С. Когган и ученый Томас М. Бартол, соавторы Наука Paper, создал высокоточную компьютерную модель синапса гигантского куриного эмбриона, который соединяет нервные волокна, берущие начало в мозге, с нейроном, который контролирует размер зрачка и форму глазного хрусталика. Этот конкретный синапс является излюбленной моделью для изучения синаптической передачи, поскольку нейроны, образующие то, что известно как цилиарный ганглий, довольно просты, легкодоступны, и нервные импульсы могут быть зарегистрированы либо от пресинаптического, либо от постсинаптического элемента, либо от обоих.
Такие записи нервных сигналов подсказали исследователям возможность того, что рецепторы за пределами синапса регулярно активируются. Но откуда взялись необходимые молекулы нейротрансмиттеров?
Затем Когган и Бартол смоделировали высвобождение нейротрансмиттера из одиночных везикул, расположенных внутри синапсов, а также из везикул, расположенных за пределами традиционных синаптических соединений, что они назвали «эктопическим высвобождением». Затем они сравнили свои прогнозы с реальными записями живых клеток. «Мы смогли сопоставить физиологические результаты только тогда, когда позволили 90 процентам высвобождения происходить вне синапсов», — говорит Бартол, который замечает в философском отступлении: «Эктопическое высвобождение — интересный термин, потому что он означает «неуместно», но конечно, в природе нет ничего неуместного».
«Я думаю, что это бросает вызов тому, как мы определяем синапсы. Возможно, до сих пор существуют синапсы, соответствующие старому определению, но это может быть не единственный способ общения клеток», — добавляет Когган.
Необходимая техника, например, всегда была там. Ученым давно было известно, что по всей нервной системе за пределами синапсов располагаются наполненные нейротрансмиттерами везикулы, SNARE-комплексы, отвечающие за слияние везикул с клеточными мембранами, и рецепторы нейромедиаторов, но никто не знал, какова их функция. «Многие сигналы, которые мы записали от ганглия, указывали на то, что рецепторы, которые считались перисинаптическими, активировались в большом количестве», — вспоминает Когган. «Для меня было очень приятно, когда компьютерная модель подтвердила наши подозрения».
Когган указывает, что традиционная и эктопическая нейротрансмиссия могут просто выполнять разные функции, поскольку ацетилхолин, нейротрансмиттер, связывающий синаптическую щель в цилиарном ганглии, активирует два различных типа никотиновых рецепторов: альфа7-ацетилхолиновые рецепторы (альфа7-АХР) и альфа3-ацетилхолиновые рецепторы. альфа3-АхР), которые различаются по своим биофизическим свойствам и пространственному распределению. альфа3-АХР кластеризуются в синаптических участках на теле клетки, тогда как альфа7-АХР обнаруживаются в перисинаптических областях. Эктопическая передача активирует почти исключительно последнюю.
«Мы только начинаем ценить разнообразие и сложность передачи сигналов в мозгу. В прошлом мы руководствовались очень простыми модельными системами, такими как нервно-мышечное соединение. Но в мозгу существует гораздо более сложный набор связей и требований, которые система должна выполнять. Эволюция могла создать совершенно новые возможности», — говорит Сейновски.
Центр вычислительной и теоретической биологии им. сети, регулирующие обработку информации. Конечной целью является создание теоретических моделей, объясняющих, как работает мозг.
Институт биологических исследований Солка в Ла-Хойе, Калифорния, является независимой некоммерческой организацией, занимающейся фундаментальными открытиями в области наук о жизни, улучшением здоровья человека и подготовкой будущих поколений исследователей. Джонас Солк, доктор медицинских наук, чья вакцина против полиомиелита практически уничтожила калечащую болезнь полиомиелит в 1955 году, открыла институт в 1965 году благодаря подарку земли от города Сан-Диего и финансовой поддержке March of Dimes.
Управление связи
Тел: (858) 453-4100
press@salk.edu
