Как нейроны разговаривают друг с другом

ейроны связаны друг с другом через синапсы, места, где сигналы передаются в виде химических посланников. Рейнхард Ян, директор Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене, точно изучил, как работает этот процесс.

Наша нервная система состоит из около 100 миллиардов взаимосвязанных нейронов, способных выполнять сложные вычисления. Каждый нейрон имеет зону антенны, содержащую тело клетки и ее расширения (дендриты). Именно здесь он получает сигналы от других нейронов.

Одна сотовая беседа, другая слушает

Затем сигналы вычисляются и перенаправляются «кабелем», аксоном, в виде электрических импульсов. В области эмиттера аксоны разветвляются, образуя контактные участки, известные как синапсы, где сигналы передаются на другие нейроны. При синапсе электрические импульсы, поступающие из аксона, преобразуются в химические сигналы. Затем информация течет только в одном направлении: одна ячейка говорит, другая слушает. Количество синапсов, которые может развиваться одним нейроном, значительно варьируется. В зависимости от своего типа, нейрон может иметь что угодно от одного до более чем 100 000 синапсов. В среднем каждый нейрон имеет около 1000 синапсов.

Синапсы - элементарные единицы передачи информации о нейронах

Синапсы состоят из:

  • нервное окончание передающего (пресинаптического) нейрона,
  • синаптическая щель, разделяющая передающие и принимающие нейроны и
  • мембрана принимающего (постсинаптического) нейрона.

Пресинаптические нервные окончания содержат сигнальные молекулы, известные как нейротрансмиттеры, которые хранятся в небольших оболочках, заключенных в оболочку. Каждое нервное окончание в центральной нервной системе содержит в среднем несколько сотен синаптических везикул. Однако синапсы сильно различаются. Например, некоторые специализированные синапсы содержат более 100 000 везикул. Они включают синапсы, которые контролируют наши мышцы. В каждом синапсе некоторые везикулы всегда находятся в исходном положении, «как бы скрываясь» на пресинаптической плазматической мембране, к которой они состыковались.

Молекулярные машины на работе

Электрический сигнал, поступающий на нервный окончание, активирует кальциевые каналы в плазматической мембране. Ионы кальция извне течет через каналы во внутреннюю часть синапса. Там входящие ионы кальция сталкиваются и активируют молекулярную машину, расположенную между мембраной пузырьков и плазматической мембраной. Эта машина заставляет мембраны везикул в исходном положении сливаться с плазматической мембраной и высвобождать нейротрансмиттеры, содержащиеся в везикулах, в синаптическую щель.

Иллюстрация нейрона (слева) и синапса (справа). Изображение NeuroscienceNews.com приписывается MPI для биофизической химии.

С другой стороны синаптической щели нейротрансмиттеры вступают в контакт с местами стыковки на мембране принимающего нейрона, которые регулируют электрические свойства этой мембраны. Это изменяет электрическое сопротивление мембраны. Приемная ячейка способна быстро обрабатывать возникающие потенциальные изменения. Только около одной тысячной доли секунды проходит между приходом импульса и изменением потенциала на другой стороне синаптической щели. Фактически, синаптическая передача является одним из самых быстрых биологических процессов. Тем не менее, это положительно вяло по сравнению с транзистором.

Синаптические везикулы: не только органные органы

Синаптическая везикула - это не просто мембранный «резервуар для хранения» для нейротрансмиттеров. Его мембрана содержит целую серию белков, которые едва ли изменились за миллионы лет эволюции. Группа этих белков, переносчиков нейротрансмиттеров, ответственна за перекачку нейротрансмиттеров из цитоплазмы в везикулы, где они накапливаются. Этот процесс требует большой энергии, которая обеспечивается другой белковой молекулой - протонной АТФазой (V-АТФазой), которая накачивает протоны в везикулы - процесс, который подпитывается аденозинтрифосфатом (АТФ). Насосы, в свою очередь, используют полученный градиент концентрации для поглощения нейротрансмиттеров.

В дополнение к этим белкам, необходимым для «пополнения», мембраны синаптических везикул содержат другие компоненты, которые позволяют пузырькам сливаться с плазматической мембраной (включая синаптобрайн SNARE и синаптогамин кальция). Как только происходит слияние мембран, они переносятся обратно в нервный окончание. Синаптические везикулы затем возвращаются обратно в нервные окончания через несколько промежуточных стадий и заправляются нейротрансмиттерами. Этот процесс повторяется снова и снова, тысячи раз в жизненном цикле везикулы.

Процесс, с помощью которого синаптические везикулы функционируют на молекулярном уровне, является сложным. Несколько лет назад мы создали всеобъемлющий перечень всех компонентов везикулы. Поскольку везикулы крошечные и сложные по составу, это начинание было непростым. Несколько команд из Германии, Японии, Швейцарии и США в течение многих лет сотрудничали, чтобы идентифицировать белковые и жировые компоненты везикул и разработать количественную молекулярную модель стандартного везикула.

Во-первых, необходимо было решить проблемы, которые были не такими прямыми, как можно было бы предположить, например, подсчет количества везикул в растворе и определение количества белков и мембранных липидов. Результаты были неожиданными даже для экспертов. Оказалось, что структура биологического транспортного везикула в большей степени формируется белками, чем это считалось ранее: если смотреть на везикулу снаружи, липидная мембрана (желтая) едва ли может быть видна для чистого количества белков. Однако модель содержит только около 70 процентов общего количества присутствующего белка.

Молекулярная модель синаптического пузырька, показывающая основные белки. Изображение NeuroscienceNews.com приписывается MPI для биофизической химии.

Эта работа легла в основу дальнейших исследований. Между тем было возможно различать везикулы, которые переносят различные нейротрансмиттеры друг от друга и сравнивают их. Вопреки тому, что считалось, они незначительно отличаются по своему составу. Кроме того, выделены различные пузырьки, которые уже пристыковались к плазматической мембране, что позволяет анализировать их белковый состав.

Как сливаются мембраны?

Вторая цель исследования - получить представление о функциональных деталях белковой машины, ответственной за слияние мембран. Связанные с этим белки были охарактеризованы более десятилетия, но до сих пор неясно, как им удается сливать мембраны в течение менее одной миллисекунды после поступления ионов кальция.

Белки SNARE - небольшие молекулы белка, которые находятся в плазматической мембране и мембране везикулы, - ответственны за сам процесс синтеза. Всякий раз, когда мембраны подходят друг к другу, белки стекаются друг на друга, скручиваясь вместе, как веревки, в направлении мембраны.

Этот процесс стекирования высвобождает энергию, которая используется для слияния мембран. Недавние исследования показали, что скрученные пучки распространяются в мембрану.

Чтобы понять, как эта укладка заставляет мембраны сливаться, белки SNARE включались в искусственные мембраны, которые можно было наблюдать с использованием методов с высоким разрешением, таких как криоэлектронная микроскопия. Впервые были определены промежуточные стадии реакции синтеза. Это позволило разработать модель отдельных этапов на молекулярном уровне.

Достигнут также прогресс в отношении вопроса о том, как вливающиеся ионы кальция активируют машину для слияния. Это опосредуется другим белком в мембране синаптических везикул , синаптотагмин, который связывает ионы кальция, а затем сближает мембраны.

Несмотря на значительный прогресс, сложные молекулярные процессы до сих пор не полностью поняты. Тем более удивительно, как гладкие нейроны общаются друг с другом и насколько эффективно аппарат термоядерного синтеза работает в синапсе, чтобы воздействовать на каждое наше движение, эмоции и мысли. Таким образом, ученые во всем мире продолжают фокусироваться на машине слияния, чтобы лучше понять эти процессы. Существует надежда, что такие знания также улучшат наше понимание нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона.

ОБ ЭТОЙ СТАТЬЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙРОНАУКИ

Источник: Рейнхард Ян - Институт Макса Планка
Источник изображения: NeuroscienceNews.com изображения приписываются MPI для биофизической химии.