Nano-Pearls: Penemuan Menakjubkan yang Menantang Cara Kita Melihat Otak
Penelitian baru menantang pandangan tradisional tentang struktur akson, dengan menyajikan model “mutiara di atas tali” di mana kecepatan potensial aksi dipengaruhi oleh perubahan ukuran nano-mutiara karena faktor lokal seperti kolesterol.
Temuan ini, yang diamati pada jaringan saraf tikus yang diawetkan dengan cryo, dapat berdampak pada pemahaman penyakit neurodegeneratif yang terkait dengan regulasi kolesterol.
Memikirkan Kembali Struktur Akson
Dalam sebuah penelitian yang provokatif, para ilmuwan menantang kepercayaan lama dalam ilmu saraf tentang struktur akson—serat tipis dan memanjang yang mengirimkan sinyal listrik antar sel saraf. Penelitian yang dipimpin oleh Shigeki Watanabe dari Johns Hopkins School of Medicine dan sebagian dilakukan di kursus Neurobiologi Marine Biological Laboratory (MBL), memperkenalkan model baru untuk memahami bagaimana informasi mengalir di otak. Temuan ini dipublikasikan hari ini (5 Desember) di Ilmu Saraf Alam.
Selama lebih dari 70 tahun, akson digambarkan sebagai kabel silinder yang sangat tipis dengan diameter yang sedikit berbeda tetapi sebagian besar bentuknya seragam. Sinyal listrik, atau potensial aksi, diperkirakan berjalan melalui akson dengan kecepatan tetap, seperti mobil yang bergerak mulus melalui terowongan. Konsep ini bermula dari karya rintisan Alan Hodgkin dan Andrew Huxley pada tahun 1940-an dan 1950-an, yang mencakup penelitian tentang akson cumi-cumi raksasa yang dilakukan di MBL.
Akson: Morfologi Mutiara di Tali Terungkap
Namun, Watanabe dan tim menunjukkan bahwa akson sebenarnya memiliki morfologi “mutiara di tali” pada skala nano level – panjang kabel diselingi tonjolan yang mereka sebut “mutiara nano” (atau buton nonsinaptik). Kecepatan potensial aksi tidak konstan, tegas mereka, namun dimodulasi oleh perubahan ukuran mutiara nano, yang pada gilirannya disebabkan oleh perubahan mekanis pada membran akson dan sitoskeleton seiring dengan perjalanan potensial aksi.
“Kita bisa membayangkan hal ini seperti mobil yang melaju di jalan raya,” kata Watanabe. “Jika Anda memiliki jalan raya empat jalur yang melalui terowongan, mobil akan berjalan normal. Tapi kalau jalan raya punya empat lajur, lalu menyempit menjadi satu lajur, lalu kembali menjadi empat lajur, satu lajur – seperti itulah sebenarnya bentuk akson. Dan Anda mungkin berpikir arus lalu lintas tidak akan terlalu besar.”
“Tetapi yang menarik adalah ukuran mutiara di tali bisa berubah, di lokasi tertentu,” lanjut Shigeki. “Kami telah menunjukkan bahwa Anda dapat memodulasi ukuran mutiara nano dengan mengubah faktor-faktor di area lokal, seperti kolesterol di dalam air. plasma selaput. Hal ini, pada gilirannya, memodulasi kecepatan potensial aksi. Jadi, akson sangat fleksibel dalam hal ini.”
Pembekuan Flash Sebelum Pencitraan Menghasilkan Penemuan
Ultrastruktur akson yang dijelaskan Watanabe dan tim jauh di bawah batas difraksi mikroskop cahaya, dengan saluran akson berdiameter sekitar 60 nm dengan mutiara nano berulang berdiameter sekitar 200 nm. (Pengamatan dilakukan pada akson yang tidak bermyelin pada sistem saraf tikus.)
“Alasan mengapa orang-orang melewatkan morfologi akson ini sebelumnya, dan kami dapat mengamatinya, adalah karena kami melihat jaringan yang diawetkan dengan krio di bawah mikroskop elektron,” kata Watanabe. “Biasanya, orang menggunakan bahan kimia untuk memproses sampel untuk mikroskop elektron dan kemudian mengeringkan jaringan tersebut, seperti membuat buah anggur menjadi kismis. Namun saat Anda mengawetkan krio, rasanya seperti Anda membuat anggur beku. Anda dapat mempertahankan bentuk aslinya.”
Implikasi terhadap Penyakit Neurodegeneratif
Penemuan ini mempunyai implikasi untuk memahami penyakit neurodegeneratif, kata Watanabe. Alzheimer penyakit, misalnya, dikaitkan dengan kesalahan pengaturan kolesterol di otak. Penelitian Watanabe menunjukkan ukuran mutiara nano dimodifikasi oleh kolesterol yang bergerak masuk atau keluar dari membran plasma saraf, yang pada gilirannya mengatur kecepatan konduksi potensial aksi. Jika mekanisme ini terganggu, hal ini pada akhirnya dapat menyebabkan kematian aksonal.
“Akan menarik di masa depan untuk melihat mutasi yang menyebabkan degenerasi saraf, seperti apa morfologi akson pada neuron tersebut, dan apakah plastisitas akson masih ada,” ujarnya.
Referensi: “Mekanika membran menentukan morfologi dan fungsi mutiara aksonal pada tali” oleh Jacqueline M. Griswold, Mayte Bonilla-Quintana, Renee Pepper, Christopher T. Lee, Sumana Raychaudhuri, Siyi Ma, Quan Gan, Sarah Syed, Cuncheng Zhu, Miriam Bell, Mitsuo Suga, Yuuki Yamaguchi, Ronan Chéreau, U. Valentin Nägerl, Graham Knott, Padmini Rangamani dan Shigeki Watanabe, 2 Desember 2024, Ilmu Saraf Alam.
DOI: 10.1038/s41593-024-01813-1
Sejak tahun 2015, Watanabe menjadi pengajar mata kuliah Neurobiologi MBL, tempat sebagian penelitian dilakukan. Penulis pertama Jacqueline Griswold dan rekan penulis Siyi Ma dan Renee Pepper adalah alumni kursus Neurobiologi MBL.
Sebagian dari pekerjaan ini didukung oleh MBL Whitman Fellowship untuk Watanabe.
