Китайские ученые впервые смогли наблюдать мгновенный контакт между нейронами, называемый «поцелуем». Это событие происходит всего за миллисекунды и лежит в основе передачи сигналов в мозге, объясняя, как клетки обмениваются информацией на молекулярном уровне. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Полвека споров о синаптических пузырьках
Синаптические везикулы — крошечные пузырьки внутри нейронов — хранят нейротрансмиттеры и высвобождают их при активации клетки. В течение более 50 лет ученые спорили, полностью ли эти пузырьки сливаются с мембраной нейрона при передаче сигнала или лишь кратковременно прикасаются к ней, а затем возвращаются в исходное состояние.
«Мы смогли увидеть процесс с точностью до миллисекунд и нанометров, что открывает новые горизонты в понимании мозговой коммуникации», — отметил представитель Университета науки и технологий Китая
Традиционные микроскопы не могли зафиксировать процесс: он проходит в нанометровом масштабе за доли миллисекунды. Для преодоления этого ограничения команда USTC потратила 15 лет на разработку криоэлектронной томографии с уникальной временной и пространственной точностью.
Мгновенная криозаморозка и оптогенетика
Исследователи использовали оптогенетику, активируя нейроны светом, и моментальную криозаморозку, чтобы «заморозить» синапсы в разные моменты после стимуляции. Они создали более 1000 томограмм синапсов гиппокампа крыс с интервалом от 0 до 300 миллисекунд.
Через 4 миллисекунды после активации нейрона везикула образует крошечное отверстие около 4 нанометров — это и есть «поцелуй». Затем отверстие уменьшается примерно вдвое. К 70 миллисекундам большинство везикул отходит и возвращается обратно по «убегающему» пути, а часть полностью сливается с мембраной нейрона.
Так возникла новая единая модель синаптической передачи — «поцелуй-сжатие-бег». Она демонстрирует, что коммуникация нейронов не является полностью мгновенной или полностью необратимой, а представляет собой оптимизированный гибридный механизм, обеспечивающий скорость и эффективность передачи сигналов.
Значение открытия
Стелла Хертли из журнала Science отметила, что новый механизм объединяет конкурирующие теории высвобождения нейротрансмиттеров и проливает свет на принципы надежности синаптической передачи.
По словам ученых, технология может быть использована для изучения других быстрых внутриклеточных процессов, таких как секреция гормонов и вирусное вторжение в клетки. Это открытие позволяет впервые визуализировать мельчайшие события в мозге в реальном времени, завершает десятилетия научных споров и открывает путь к глубокому пониманию работы нейронных сетей.
Система криоэлектронной томографии сочетает оптогенетику и мгновенную заморозку, что делает возможным исследование нейронов с беспрецедентной точностью. Она позволяет наблюдать, как нейроны обмениваются сигналами на молекулярном уровне и насколько быстро происходят эти процессы.
Созданы самые похожие на живые искусственные нейроны
Открытие: кальциевые каналы нейронов мозга обладают «молекулярной памятью»
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram