Wanneer de hersenen vormen herinneringen of leer een nieuwe taak, die de nieuwe gegevens van de aansluitingen van de harmonie tussen neuronen codeert. Neurowetenschappers aan het MIT hebben een nieuw mechanisme ontdekt dat bijdraagt ​​aan de versterking van deze verbindingen, ook wel synapsen.

Bij elke synaps, een presynaptische neuron stuurt chemische signalen naar een of meer ontvangers postsynaptische cellen. Bij de meeste eerdere studies van deze verbindingen als ze zich ontwikkelen, hebben wetenschappers gericht op de rol van postsynaptische neuronen. De MIT team gevonden dat het presynaptische neuronen beïnvloeden de sterkte van de verbinding.



"Dit mechanisme ontdekten we op de presynaptische voegt een toolkit die we moeten begrijpen hoe synapsen kunnen veranderen", zegt Troy Littleton, een professor in de departementen van de biologie en Brain and Cognitive Sciences aan het MIT, een lid van het MIT Institute Picower voor leren en geheugen, en senior auteur van de studie.

Meer informatie over hoe synapsen veranderen hun connecties wetenschappers kunnen helpen beter te begrijpen neurologische stoornissen, zoals autisme, omdat veel van de genetische veranderingen in verband met autisme zijn te vinden in de genen die coderen voor synaptische eiwitten.

Richard Cho, een onderzoeker aan het Instituut voor Picower, is eerste auteur van het papier.

Herbedrading van de hersenen

Een van de grootste vragen in de neurowetenschappen is hoe de hersenen bedradingsysteem zelf in reactie op veranderende omstandigheden-gedrag vaardigheden die bekend staat als plasticiteit. Dit is bijzonder belangrijk tijdens de vroege ontwikkeling, maar blijft gedurende het leven als hersenen leert en vormen nieuwe herinneringen.

De afgelopen 30 jaar hebben wetenschappers ontdekt dat de sterke invoer voor een postsynaptische cel leidt tot meer verkeer neurotransmitter receptoren op het oppervlak, het versterken van de door de presynaptische cel ontvangen signaal. Dit fenomeen, bekend als de lange termijn potentiëring optreedt na aanhoudende, hoogfrequente stimulatie van de synaps.

Langdurige depressie, een verzwakking van de postsynaptische reactie veroorzaakt door de stimulatie van zeer lage frequenties, kan optreden wanneer deze receptoren worden verwijderd.

Wetenschappers hebben minder gericht op de rol van het presynaptische neuron plasticiteit, mede omdat het moeilijker te bestuderen, aldus Littleton.

Zijn lab heeft gedurende een aantal jaren werken het mechanisme van hoe cellen presynaptische neurotransmitter release in reactie op de pieken van elektrische activiteit bekend als actiepotentialen. Wanneer het presynaptische neuron opgenomen instroom van calciumionen, waardoor de golf van elektrische potentiaal optreden vesicles bevattende neurotransmitters fuseren met het membraan van de cel en morsen van de inhoud buiten de cel, waar ze binden aan receptoren op postsynaptische neuron .

Het presynaptische neuron releases neurotransmitters zelfs bij afwezigheid van actiepotentialen in een proces genaamd spontane afgifte. Deze "mini" zijn eerder gedacht dat de ruis die optreedt in de hersenen vertegenwoordigen. Echter, Littleton en Cho vond dat minis kunnen worden aangepast aan structurele begeleiden synaptische plasticiteit.

Om te bestuderen hoe synapsen worden versterkt, Littleton en Cho studeerde een type van neuromusculaire verbindingen bekend als synapsen, in fruitvliegen. De onderzoekers hebben de presynaptische neuronen gestimuleerd met een snelle reeks van actiepotentialen in een korte tijd.

Zoals verwacht, deze cellen los neurotransmitter synchroon met actiepotentialen. Maar tot hun verbazing, ontdekten de onderzoekers dat de mini-evenementen aanzienlijk en werden verbeterd na elektrische stimulatie voorbij was.

"Elke synaps in de hersenen is het vrijgeven van deze mini-evenementen, maar de mensen grotendeels genegeerd, omdat ze slechts een kleine hoeveelheid activiteit te induceren in de post-synaptische cel," zei Littleton. "Toen we gaven een sterke impuls aan de activiteit van deze neuronen, deze mini-evenementen, die normaal gesproken zeer lage frequentie zijn, plotseling opgevoerd tot en bleef hoog gedurende enkele minuten voordat je uit."

Synaptische groei

De versterking van de mini's lijkt de postsynaptische neuron leiden tot een factor signalering, nog niet geïdentificeerd, die teruggaat tot de presynaptische cel dateert en activeert het enzym PKA los. Dit enzym reageert met een eiwit genaamd complexin blaasjes, die normaliter de rem, blaasjes vergrendelingsmiddelen om de afgifte van neurotransmitter verhinderen tot nodig. Stimulatie van PKA modificatie complexin zodat geeft zijn greep op neurotransmitter vesicles, de productie van mini gebeurtenissen.

Wanneer deze kleine pakketjes van neurotransmitters worden vrijgegeven op hoge tarieven, helpen de groei van nieuwe verbindingen, bekend als de knoppen, tussen neuronen presynaptische en postsynaptische stimuleren. Dit maakt de post-synaptische neuron nog beter inspelen op eventuele toekomstige communicatie van de presynaptische neuron.

"Meestal moet je 70 of zo van deze boutons per cel, maar als je het stimuleren van de presynaptische cel kan nieuw boutons zeer sterk groeien. Zal het dubbele van het aantal synapsen die gevormd worden," zei Littleton.

De onderzoekers waargenomen dit proces gedurende larvale ontwikkeling in lijn ", die 3 tot 5 dagen duurt. Maar Littleton en Cho hebben aangetoond dat acute veranderingen in synaptische functie kan ook leiden tot structurele synaptische plasticiteit tijdens de ontwikkeling.

"Machines in presynaptische terminal kan zo scherp om bepaalde vormen van plasticiteit, die zeer belangrijk kan zijn, niet alleen in ontwikkelingslanden, maar ook in de meer volwassen omstandigheden waarin variaties kunnen optreden tijdens de synaptische gedragsmatige processen zoals leren en geheugen rijden worden veranderd", zegt hij Cho.

Littleton laboratorium is nu proberen om meer inzicht in de mechanistische details van hoe complexin controles blaasje release.

Originele artikel van Anne Trafton. Heruitgegeven met dank aan MIT Nieuws

Richard W. Cho, Lauren K. Buhl, Dina Volfson, Adrienne Tran, Feng Li, Yulia Akbergenova, J. Troy Littleton
Fosforylering van Complexin PKA reguleert activiteit afhankelijk spontane neurotransmitter vrijkomen en structurele synaptische plasticiteit
Neuron, Vol. 88, Issue 4, p749-761