Kanály mozku „zastaveny v čase“ odhalují chemický tok, který umožňuje učení a myšlení

Ve snaze pochopit, jak mozkové buňky vyměňují chemické zprávy, vědci tvrdí, že úspěšně použili vysoce specializovaný mikroskop k zachycení přesnějších detailů o tom, jak jedna z nejběžnějších signalizačních molekul, glutamát, otevírá kanál a umožňuje vstoupit záplavu nabitých částic. Zjištění, které vyplynulo ze studie vedené vědci z medicíny Johns Hopkins, by mohlo rozšířit vývoj nových léčiv, které blokují nebo otevírají takové signalizační kanály, aby považovaly podmínky za různé jako epilepsie a některé intelektuální poruchy.

Zpráva o experimentech byla Publikováno 26. března v časopise Příroda.

„Neurony jsou buněčným základem mozku a schopnost zažít naše prostředí a učit se závisí na (chemické) komunikaci mezi neurony“říká Edward Twomey, Ph.D., docent biofyziky a biofyzikální chemie na lékařské fakultě Johns Hopkins University.

Vědci již dlouho vědí, že hlavní molekula odpovědná za komunikaci neuronu na neuronu je Neurotransmiter glutamátmolekula hojná v prostorech mezi neurony. Jeho přistávací místo na neuronech je a kanál nazývá se receptor AMPA, který interaguje s glutamátem, a poté působí jako pór, který bere nabité částice. Odliv a tok nabitých částic vytváří elektrické signály, které vytvářejí komunikaci mezi neurony.

Abychom zjistili podrobnosti o nepatrných pohybech receptorů AMPA (na úrovni jednotlivých atomů), vědci použili k zobrazení těchto kanálů během specifických kroků v komunikačních procesech velmi vysoce výkonný mikroskop. Pro studii vědci použili kryo-elektronový mikroskop (Cryo-EM) v zařízení na lékařské fakultě Johns Hopkins University.

Vědci obvykle považují za snazší studovat vzorky buněk, které jsou chlazené, což je stav, který poskytuje stabilní prostředí. Při normální teplotě tělesné teploty však Twomeyův tým zjistil, že receptory AMPA a glutamátová aktivita se zvýšila, což poskytuje více příležitostí k zachycení tohoto procesu v kryoemových obrazech.

Za tímto účelem vědci purifikovali receptory AMPA, převzatý z laboratorních lidských embryonálních buněk, které se široce používají ve výzkumu neurověd k produkci takových proteinů. Poté zahřívali receptory na tělesnou teplotu (37 stupňů Celsia nebo 98,6 ° Fahrenheita), než je vystavili glutamátu. Ihned po tomto byly receptory zmrazeny a analyzovány pomocí kryoemu, aby se získal snímek receptorů AMPA navázaný na hlavní signální molekulu, glutamát.

Po sestavení více než milionu obrázků pořízených s kryoem tým zjistil, že glutamátové molekuly fungují jako klíč, který odemkne dveře do kanálu, což jim umožňuje otevřenější. K tomu dochází pomocí struktury podobné seřádu ampa receptoru, který se uzavírá kolem glutamátAkce, která vytáhne kanál níže.

Twomeyův předchozí výzkum ukázal, že léky, jako je perampanel, se používají k léčbě epilepsie, působí jako zátka dveří kolem receptoru AMPA, aby se omezil kanál před otevřením a snižoval hojnost aktivity, o kterém je známo, že dochází v mozkových buňkách lidí s epilepsií.

Twomey říká, že zjištění by mohla být použita k vývoji nových léků, které se vážou na AMPA receptory různými způsoby, které otevírají nebo uzavírají signalizační kanály mozkových buněk.

„S každým novým zjištěním zjišťujeme každý z stavebních bloků, které umožňují fungování našich mozků,“ říká Twomey.

Dalšími vědci, kteří k práci přispěli, jsou Anish Kumar Mondal z Johns Hopkins a Elisa Carrillo a Vasanthi Jayaraman z Uthealth Houston.