Naukowcy odkrywają wiedzę na temat funkcjonowania neuronów, mierząc jednocześnie dwa kluczowe sygnały u żywych zwierząt

Naukowcy z Uniwersytetu Kyushu opracowali innowacyjną technikę nieinwazyjnego pomiaru dwóch kluczowych sygnałów jednocześnie, napięcia błonowego i wewnątrzkomórkowego poziomu wapnia w neuronach nieprzytomnych zwierząt. Ta nowa metoda pozwala na pełniejsze zrozumienie funkcjonowania neuronów, ujawniając, że te dwa sygnały kodują różne informacje na temat bodźców zmysłowych. Badania były opublikowany W Biologia komunikacji 16 września 2024 r.

Neurony to komórki pełniące rolę podstawowych elementów budulcowych mózgu, przekazujące informacje za pomocą sygnałów elektrycznych. Kiedy neuron otrzymuje bodziec, zmiany napięcia błonowego (ładunek elektryczny przechodzący przez błonę komórkową neuronu) powodują aktywację neuronu, powodując propagację szybkich zmian napięcia błonowego wzdłuż neuronu w postaci sygnału elektrycznego. Te zmiany napięcia błony prowadzą następnie do zmian wewnątrzkomórkowego wapnia (poziomu wapnia w neuronach).

Historycznie rzecz biorąc, pomiar napięcia membranowego obejmował techniki inwazyjne z wykorzystaniem elektrod. Jako nieinwazyjną alternatywę naukowcy opracowali techniki pomiaru aktywności wapnia z wykorzystaniem białek fluorescencyjnych wrażliwych na jony wapnia jako czujników, zapewniających pośredni wskaźnik aktywności neuronów. Jednakże te różne metody oznaczają, że te dwa sygnały prawie zawsze badano oddzielnie, co utrudnia zrozumienie ich interakcji w czasie rzeczywistym i identyfikację ich odrębnych funkcji u żywych zwierząt.

Obecnie nowe postępy w rozwoju białek fluorescencyjnych reagujących na zmiany napięcia membrany oznaczają, że można jednocześnie stosować zarówno czujniki jonów wapnia, jak i czujniki napięcia membrany.

„Jednoczesny pomiar wewnątrzkomórkowych jonów wapnia i napięcia błonowego może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób neurony kodują informacje na potrzeby przetwarzania sensorycznego w obwodach neuronowych” – mówi starszy autor, profesor Takeshi Ishihara z Wydziału Nauk Uniwersytetu Kiusiu.

We współpracy z Wydziałem Informatyki i Inżynierii Systemów Instytutu Technologii w Kiusiu, Ishihara i jego współpracownicy opracowali metodę jednoczesnego pomiaru wewnątrzkomórkowego wapnia i napięcia błonowego w neuronach żywych zwierząt. Przechwytując obrazy pod mikroskopem z dużą szybkością 250 klatek na sekundę i stosując najnowocześniejsze przetwarzanie obrazu, badacze byli w stanie wykryć małe i szybkie wahania intensywności fluorescencji czujników jonów wapnia i czujników napięcia membranowego.

Korzystając z tej nowo opracowanej techniki, naukowcy skupili się na tym, jak neurony węchowe Caenorhabditis elegans – maleńkich nicieni powszechnie używanych jako organizm modelowy w badaniach neurologicznych – reagują na środki zapachowe.

Naukowcy odkryli, że neurony te pod wpływem zapachów zmieniają napięcie błonowe i wewnątrzkomórkowy poziom wapnia. Co ważne, zespół badawczy po raz pierwszy ujawnił, że sygnały te kodują oddzielne informacje. Podczas gdy napięcie membrany wskazywało na obecność zapachu, wewnątrzkomórkowy poziom wapnia odzwierciedlał stężenie zapachu. Mierząc jednocześnie oba sygnały, badacze byli w stanie lepiej zrozumieć, w jaki sposób mózg przetwarza i rozróżnia bodźce zmysłowe.

Dodatkowo autorzy zidentyfikowali dwa kanały jonowe niezbędne do zmiany napięcia błony wywołanej stymulacją sensoryczną. Zespół odkrył również, że białko zwane ODR-3, które bierze udział w przekazywaniu sygnałów w neuronach, odgrywa ważną rolę w stabilizowaniu napięcia błonowego. Zapobiega to nieprawidłowemu uruchamianiu się neuronów w odpowiedzi na nieistotne bodźce oraz reguluje czas i siłę reakcji na zapachy.

W przyszłości możliwe będzie jednoczesne pomiary napięcia błonowego i wapnia wewnątrzkomórkowego w neuronach bardziej złożonych zwierząt lub w neuronach innych typów, co potencjalnie odkryje wiedzę na temat kodowania informacji w obwodach neuronowych.

Dzieląc się swoimi końcowymi przemyśleniami, Ishihara mówi: „Te szybkie, jednoczesne pomiary ujawniają różne funkcje napięcia błony i wewnątrzkomórkowych sygnałów jonów wapnia indukowanych przez bodźce zmysłowe. Odkrycia te mogą prowadzić do lepszego zrozumienia przetwarzania sensorycznego w ośrodkowym układzie nerwowym nie tylko w prostych układach modelowych, takich jak nicienie, ale także w organizmach wyższych.