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研究可以帮助解释如何使突触变得更弱或更强

2019-05-23 14:07:58 医疗设备167℃

  研究可以帮助解释如何使突触变得更弱或更强

  2018年7月11日

  为了工作,神经系统需要其细胞或神经元以电脉冲和化学神经递质的语言连接和交谈。为了使大脑能够学习和适应,它需要能够加强或减弱的联系,称为突触。麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的神经科学家进行的一项新研究有助于解释为什么强烈的突触更强,以及它们如何得到这种方式。

  通过精确定位突触强度的特性及其发展方式,该研究可以帮助科学家更好地了解突触可能如何变弱或变强。麻省理工学院生物系神经科学的Menicon教授,高级作者特洛伊利特尔顿说,突触发育和变化的缺陷,或可塑性,在自闭症或智力残疾等许多脑部疾病中都有作用。

  “我们研究的重要性在于弄清楚真正强烈的突触与其较弱的邻居的分子特征是什么,我们如何思考将真正弱的突触转化为更强的突触的方法”。利特尔顿说。

  在eLife发表的这项研究中,利特尔顿团队在果蝇果蝇的模型生物体中使用了创新的成像技术,专注于“活动区”。这是突触的基本组成部分。科学家们确定了与突触两侧强连接相关的特定特征。

  由博士后研究员Yulia Akbergenova和研究生Karen Cunningham领导的研究小组还研究了突触和活动区域的强大增长情况,表明那些在发育的几个关键日子里成熟时间最长的那些成为最强的。

  力量来源

  该团队的研究首先对运动神经元连接肌肉的交界处的活动区进行了调查。在神经肌肉接头处存在约300个活动区域,这为团队提供了丰富的突触多样性以进行检查。

  

  通常,神经科学家通过在激活突触前神经元后测量突触后神经元中的电流来研究神经连接,但是这些测量表示来自许多活动区域的传输的累积。在新的研究中,该团队能够使用“光学量子成像”以前所未有的分辨率直接观察各个活动区域的活动。

  “我们优化了遗传编码的钙传感器以将其定位在活动区域​​附近”。 Akbergenova说。 “这允许我们直接可视化各个发布站点的活动。现在我们可以解决每个发布站点级别的突触传输问题。“

  在许多苍蝇中,研究小组一致发现,只有大约10%的活动区域在结点处是强壮的,因为当刺激突触前神经元时它们很可能会释放神经递质谷氨酸。在相同的刺激下,大约70%的活动区域更弱,几乎不释放谷氨酸。另有20%的人不活跃。最强的活动区的释放概率比弱的活动区高50倍。

  “最初的观察结果是由完全相同的神经元产生的突触不具有相同的强度,”利特尔顿说。 “那么问题就变成了,个体突触是什么决定它是强还是弱?”

  该团队进行了多次测试。例如,在一项实验中,他们发现它们不是突触囊泡的供应,而是容纳谷氨酸盐的容器。当它们一遍又一遍地刺激突触前神经元时,即使它们的突触囊泡供应与来自附近活动区域的突触囊泡供应相互混合,强壮的那些保留了相对较高的释放可能性。

  相关故事研究提出致死性脑癌的新治疗策略研究人员捕捉小鼠帕金森氏症大脑活动模式的变化哥伦比亚研究人员揭示了为什么某些胶质母细胞瘤对免疫治疗有反应的原因显示出差异的突触前检测与测量钙流入活性区的速度和数量有关钙通过其进入活性区的通道。钙离子刺激囊泡融合到突触前细胞的膜上,允许释放神经递质。

  在强突触处,活跃区域通过明显更高的钙离子通道丰度而具有显着更多的钙离子流入,而不是弱突触活性区域。

  更强的活性区域还含有更多的蛋白质,称为Bruchpilot,有助于在突触处聚集钙通道。

  同时,在突触后一侧,当科学家测量谷氨酸受体亚型的存在和分布时,他们发现强突触的显着差异。在典型的弱突触中,含有GluRIIA和GluRIIB的受体几乎混合在一起。但是在强烈的突触中,更敏感的A亚型挤在中心而B被推到外围,好像是为了最大化接收细胞拾取强健信号的能力。

  可能成熟

  随着证据表明突触强大的原因,科学家随后试图确定他们如何得到这种方式以及为什么没有更多这样的突触。为此,他们研究了从开发开始到几天后的每个活动区域。

  “这是人们第一次能够在从幼虫出生到成熟时,随着动物的成长,经过许多天的发育而遵循单个活动区”。利特尔顿说。

  他们做了这个“活体成像”。通过每天短暂麻醉幼虫来检查活动区域的变化。使用具有不同颜色的工程化GluRIIA和GluRIIB受体蛋白,它们可以判断A的特征浓度和B的边缘化是否形成了强烈的突触。

  他们注意到的一个现象是,随着每一天的发展,活动区形成加速。事实证明这很重要,因为他们的主要发现是突触强度与活动区年龄有关。随着几天内成熟的突触,它们积累了更多的钙通道和BRP,这意味着它们在成熟时变得更强壮,但只有少数有机会在几天内完成。

  研究人员还想知道活动是否会影响成熟率,正如在神经系统中预期的那样,必须对动物的体验做出反应。通过修改调节神经元放电程度的不同基因,他们发现活动区确实成熟得更快,活动更多,而活动减少时则更慢。

  “这些结果提供了对存在于活性区域群体中的释放强度的极端异质性的几个主要因素的高分辨率分子和发展理解,”坎宁安说。 “由于构成果蝇突触前活性区的蛋白质群在哺乳动物突触中基本上是保守的,因此这些结果将提供对更复杂的神经系统中如何产生活性区释放异质性的有价值的见解。”

  出处:http://news.mit.edu/2018/what-separates-strong-weak-among-brain-synapses-0710

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