Ahli saraf menangkap sel -sel otak beradaptasi secara real time
Segmen awal Axon (AIS) adalah tempat sinyal saraf dimulai, dan kemampuan beradaptasi adalah kunci untuk fungsi otak. Para ilmuwan telah menemukan bahwa AIS berubah dalam menanggapi tingkat aktivitas, membantu neuron menjaga keseimbangan. Dengan menggunakan teknik pencitraan canggih, mereka telah mengamati perubahan ini hidup untuk pertama kalinya, memperdalam pemahaman kita tentang plastisitas otak.
Segmen awal akson – titik awal yang kritis
Sel -sel saraf, atau neuron kami, berkomunikasi dengan mengirimkan sinyal listrik yang cepat yang disebut potensial aksi. Sinyal -sinyal ini selalu dimulai di bagian tertentu dari neuron yang dikenal sebagai Axon Awal Segmen (AIS). AIS adalah bagian pertama akson – ekstensi panjang dan tipis dari neuron yang mentransmisikan sinyal ke sel saraf lainnya. Ini bertindak seperti pusat kontrol, memutuskan kapan harus memulai potensi aksi sebelum bergerak menuruni akson untuk menyampaikan informasi.
Para ilmuwan sebelumnya menemukan bahwa AIS bukan struktur yang tetap tetapi dapat berubah sebagai respons terhadap tingkat aktivitas di otak. Kemampuan beradaptasi ini, yang dikenal sebagai plastisitas, memungkinkan otak untuk menyesuaikan koneksi dan strukturnya untuk mengatur aktivitas listrik – proses penting untuk pembelajaran dan memori. Ketika aktivitas otak tinggi, AIS dapat mempersingkat; Saat aktivitas rendah, itu bisa memanjang. Namun, mekanisme yang tepat di balik perubahan ini dan kecepatan di mana mereka terjadi tidak jelas.
Para peneliti Amélie Fréal dan Nora Jamann, bekerja di lab Maarten Kole, kini telah mengamati kemampuan beradaptasi ini secara real time untuk pertama kalinya. Pekerjaan terobosan mereka juga telah mengidentifikasi proses molekuler yang mendorong perubahan ini dalam akson.
Gerbang penting dari segmen awal akson
Pemain kunci dalam proses ini adalah gerbang ion yang terletak di segmen, juga dikenal sebagai saluran natrium. Tim mengembangkan alat baru untuk mempelajari saluran natrium ini dan protein pendukungnya. Mereka menemukan bahwa jumlah saluran natrium di segmen sel dapat berubah dengan cepat, dalam waktu satu jam. Perubahan cepat ini dimediasi oleh proses yang disebut endositosis, di mana saluran natrium diambil ke dalam vesikel di dalam sel.
Nora Jamann menjelaskan, “Anda dapat menganggap kemampuan beradaptasi ini sebagai semacam amplifier yang memungkinkan Anda untuk menyempurnakan input. Semakin lama AIS, semakin sedikit arus yang Anda butuhkan. Anda dapat meningkatkan output sel. Jika ini tidak disesuaikan dengan benar, pembelajaran dapat dikompromikan. ”
“Saat Anda belajar, aktivitas dalam jaringan saraf terus -menerus berfluktuasi. Neuron perlu beroperasi dengan variasi ekstrem dalam tingkat aktivitas – baik aktivitas yang terlalu rendah dan terlalu tinggi dapat berbahaya untuk pembentukan memori. ”
Eksperimen sebelumnya pada tikus menggambarkan kemampuan beradaptasi ini: tikus dengan kumis yang terpotong menerima input sensorik yang dikurangi. Akibatnya, jumlah saluran natrium di AIS meningkat untuk mempertahankan keseimbangan. Yang sebaliknya juga terjadi: jika ada terlalu banyak input, seperti ketika mouse ditempatkan di lingkungan baru dengan aktivitas tinggi, AIS menjadi sedikit lebih pendek dan memiliki lebih sedikit saluran natrium. Tetapi bagaimana ini bekerja dan seberapa cepat terjadi plastisitas ini selalu menjadi pertanyaan mendasar bagi para ahli saraf.
Plastisitas pencitraan hidup
Amélie Fréal mengatakan, “Untuk menjawab pertanyaan ini, kami menghadapi tantangan yang signifikan: bagaimana kita bisa menangkap plastisitas hidup? Jika Anda bertanya -tanya bagaimana AIS beradaptasi, Anda ingin benar -benar melihatnya bergerak. Ini sebelumnya tidak mungkin di lapangan. Dalam penelitian ini, kami menggunakan dua alat baru: pertama, model tikus khusus dengan AIS berlabel protein fluoresen, memungkinkan kami untuk mengamati mekanisme dan mencatat perubahan temporal dalam irisan otak. Kedua, kami menggunakan alat molekuler yang membuat saluran natrium terlihat dalam kultur sel. Ini memungkinkan untuk melacak saluran natrium hidup untuk pertama kalinya. ”
JAMANN melanjutkan, “Plastisitas yang kami amati di AI sangat mirip dengan apa yang kita ketahui tentang plastisitas sinaptik. Ini adalah bentuk plastisitas yang paling terkenal dan berkaitan dengan kemampuan koneksi ( sinaps) antara dua sel saraf untuk berubah kekuatan. Plastisitas sinaptik terkait langsung dengan pembelajaran dan memori. Tetapi mekanisme yang sama juga terjadi di AIS. “
Amélie Fréal menambahkan, “Jika Anda ingin menjadi sedikit provokatif, Anda bahkan dapat mengatakan bahwa banyak perubahan terjadi di sinaps, tetapi hanya informasi yang relevan yang diteruskan ke sel saraf berikutnya. Keputusan ini dibuat di AIS, jadi perubahan di wilayah ini benar -benar penting untuk fungsi sel. “
Kolaborasi dan implikasi di masa depan
Fréal menyimpulkan, “Studi ini menyatukan berbagai bidang keahlian, yang sangat saya dukung dalam penelitian. Lab Maarten Kole memiliki semua peralatan untuk merekam dan melihat aktivitasnya, dan saya datang dengan alat baru untuk membayangkan nano struktur. Bersama -sama, kami telah dapat menetapkan bahwa ketika aktivitas berubah, struktur berubah juga. Pengamatan ini akan membantu kita melihat plastisitas dalam perspektif yang lebih luas. Saat melihat plastisitas secara umum, kita sekarang perlu mempertimbangkan perubahan AIS ini. Melalui kolaborasi ini, kami telah dapat menggabungkan kekuatan kami untuk memajukan pengetahuan. Itulah yang paling saya banggakan. ”
Referensi: “Saluran Sodium Endositosis mendorong akson Segmen awal plastisitas” oleh Amélie Fréal, Nora Jamann, Jolijn Ten Bos, Jacqueline Jansen, Naomi Petersen, Thijmen Ligthart, Casper C. Hoogenraad dan Maarten HP Kole, 15 September 2023, Kemajuan Sains.
Doi: 10.1126/sciadv.adf3885
