Китайские учёные впервые запечатлели мимолётный момент, когда нейроны «целуют» друг друга — событие миллисекундного масштаба, лежащее в основе передачи сигналов в мозге. Новая технология визуализации разрешила 50-летний спор в нейробиологии о том, как общаются нейроны.
Открытие, сделанное с помощью революционной технологии визуализации, разрешило многолетний спор о том, как синаптические везикулы (микроскопические «мешочки» в нейронах) высвобождают нейротрансмиттеры (химические вещества для передачи сигнала).
Исследователи из Научно-технического университета Китая (USTC) и Шэньчжэньских институтов передовых технологий, входящих в состав Китайской академии наук, разработали первую в мире камеру, способную «замораживать» эти наноразмерные события во времени.
Их работа, опубликованная в этом месяце, знаменует собой крупный прорыв в нейровизуализации.
Читайте: Может ли в мозге закончится место для воспоминаний – Разъяснения и Факты
Попытки запечатлеть невидимое
Человеческий мозг зависит от эффективной и точной связи между миллиардами нейронов, которые передают сигналы с помощью синаптических везикул.
Более 50 лет учёные спорили о том, полностью ли эти везикулы сливаются с клеточной мембраной («полный коллапс») или кратковременно соприкасаются и отходят в процессе «поцеловал-убежал» (kiss-and-run).
По данным South China Morning Post (SCMP), эта загадка сохранялась, поскольку процесс происходит в нанометровом масштабе и в течение миллисекунд, что делает практически невозможным для фиксации с помощью традиционной микроскопии.
Чтобы преодолеть это, команда под руководством USTC потратила 15 лет на разработку платформы криогенной электронной микроскопии (микроскопия сверхнизких температур для изучения биомолекул) с беспрецедентной временной и пространственной точностью.
В результате была создана система клеточной криоэлектронной томографии (3D-визуализация замороженных образцов) с временным разрешением, способная фиксировать нейронную активность с миллисекундными интервалами и нанометровым разрешением.
Используя эту систему, учёные смогли наблюдать в реальном времени весь процесс экзоцитоза (высвобождения веществ клеткой) синаптических везикул.
Модель «поцелуй-сокращение-бегство»
Комбинируя оптогенетическую стимуляцию (метод активации нейронов светом) и высокоскоростную иммерсионную заморозку, исследователи получили более 1000 томограмм (послойных 3D-снимков) синапсов гиппокампа крыс.
Эти изображения, «замороженные» с интервалами от 0 до 300 миллисекунд после активации, выявили последовательность событий, примиряющую две противоборствующие модели нейротрансмиссии.
В течение четырёх миллисекунд после активации везикула образовывала крошечную пору слияния шириной около четырёх нанометров – «Поцелуй». Затем уменьшалась примерно до половины своей площади поверхности в фазе «сокращения».
К 70 миллисекундам большинство везикул отделялись и рециркулировали по пути «бегства», в то время как другие подвергались полному коллапсу в пресинаптическую мембрану (часть нейрона, высвобождающая сигнал).
Как резюмируется в журнале Science, исследование описывает единый механизм синаптической передачи «поцелуй-сокращение-бегство». Модель демонстрирует, что нейронная коммуникация не является ни полностью преходящей, ни полностью необратимой, а представляет гибридный процесс, оптимизированный для скорости и эффективности.
Разрушение старых споров и новые возможности
Стелла Хёртли, заместитель редактора Science, отметила, что этот механизм «объединяет конкурирующие модели высвобождения нейротрансмиттеров и проясняет основы синаптической эффективности и надёжности».
В заявлении, приведённом в отчёте SCMP, USTC сообщил, что это достижение «открывает новую перспективу для углубления нашего понимания обработки нейронной информации, связанных функций мозга и механизмов заболеваний».
Университет также подчеркнул, что новая платформа визуализации может быть применена для изучения других быстрых внутриклеточных процессов, как вирусное вторжение и клеточная секреция.
Запечатлев в действии самые мимолётные связи мозга, исследователи положили конец 50-летнему научному спору и открыли дверь для изучения клеточных механизмов жизни в беспрецедентных деталях.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU