¿Cómo construyen y mantienen las neuronas su capacidad de comunicarse?

Resumen: Los investigadores revelan cómo las neuronas crean y sostienen la infraestructura crítica que permite una neurotransmisión perfecta.

fuente: Instituto de utensilios para hornear para el aprendizaje y la memoria

El sistema nervioso funciona porque las células nerviosas se comunican a través de conexiones llamadas sinapsis. Ellos “hablan” cuando los iones de calcio fluyen a través de los canales hacia las “regiones activas” cargadas de vesículas que llevan mensajes moleculares.

El calcio cargado eléctricamente hace que las vesículas se “fusionen” en la membrana externa de las neuronas presinápticas, liberando su carga química comunicativa a la célula postsináptica.

En un nuevo estudio, los científicos del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT brindan varios descubrimientos sobre cómo las neuronas crean y mantienen esta infraestructura crítica.

“Los canales de calcio son el principal determinante de la entrada de calcio, que luego conduce a la fusión de vesículas, por lo que es un componente importante del motor en el lado presináptico que convierte las señales eléctricas en transmisión sináptica química”, dijo Troy Littleton, autor principal del nuevo estudio. estudiar. en eLife y Profesor Menicon de Neurociencia en los Departamentos de Biología y Ciencias del Cerebro y Cognitivas del MIT.

No estaba muy claro cómo se acumula en las áreas activas. Nuestro estudio revela pistas sobre cómo las regiones activas se acumulan y regulan la abundancia de canales de calcio”.

Los neurocientíficos querían estas pistas. Una razón es que comprender este proceso puede ayudar a revelar cómo las neuronas cambian la forma en que se comunican, una capacidad llamada “plasticidad” que subyace en el aprendizaje, la memoria y otras funciones cerebrales importantes.

Otra razón es que los medicamentos como la gabapentina, que tratan afecciones tan diversas como la epilepsia, la ansiedad y el dolor neuropático, se unen a una proteína llamada alfa2delta que se une estrechamente a los canales de calcio. Al revelar más sobre la función exacta de alpha2delta, el estudio explica mejor el efecto de estos tratamientos.

Cuantos más científicos eliminaron una proteína llamada alfa2delta con diferentes tratamientos (dos columnas a la derecha), menos canal de calcio se acumuló Cac en las áreas sinápticas activas de la neurona de la mosca (brillo y número de puntos verdes) en comparación con los controles no modificados (izquierda columna).

“Se sabe que la modulación de la función de los canales de calcio presinápticos tiene implicaciones clínicas muy importantes”, dijo Littleton. “Es realmente importante comprender la base de cómo se organizan estos canales”.

Karen Cunningham, investigadora postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, dirigió el estudio, cuya tesis doctoral se realizó en el laboratorio de Littleton. Usando el sistema modelo de neuronas motoras de Drosophila, usé una variedad de técnicas y experimentos para mostrar por primera vez el proceso paso a paso que explica la distribución y el mantenimiento de los canales de calcio en las regiones activas.

cubrir en cac

La primera pregunta de Cunningham fue si los canales de calcio son necesarios para el desarrollo de zonas activas en las larvas. El gen del canal de calcio de la mosca (llamado ‘cacus’ o Cac) es tan importante que las moscas literalmente no pueden vivir sin él. Entonces, en lugar de eliminar a Cac a través de la mosca, Cunningham usó una técnica para eliminarlo en un solo grupo de neuronas. Al hacer esto, pude demostrar que incluso sin Cac, las áreas activas crecen y maduran naturalmente.

Usando otra técnica que alarga artificialmente la etapa larvaria de la mosca, también pude ver que con el tiempo adicional la región activa continuaría construyendo su estructura con una proteína llamada BRP, pero que la acumulación de Cac se detendría después de los seis días normales.

Cunningham también descubrió que los aumentos moderados en las disminuciones en el suministro de Cac disponible en las neuronas no afectaban la cantidad de Cac que terminaba en cada región activa. Lo más intrigante fue que descubrió que, si bien la cantidad de Cac es proporcional al tamaño de cada área activa, apenas se mueve si toma demasiado BRP en el área activa. De hecho, para cada región activa, las neuronas parecen imponer un techo fijo a la cantidad de Cac presente.

“Él estaba revelando que las neuronas tenían bases muy diferentes para las proteínas estructurales en la región activa, como BRP, que continuaba acumulándose con el tiempo, frente a un canal de calcio que estaba estrictamente regulado y su abundancia restringida”, dijo Cunningham.

Actualización regular

El modelo del equipo muestra los factores que regulan la abundancia de CAC en las regiones activas. El desarrollo de andamios de Active Zone y la entrega de Cac a través de alpha2delta lo aumentan, mientras que su rotación mantiene un límite. La biosíntesis de Cac apenas aumenta su abundancia.

Los resultados mostraron que debe haber factores distintos al suministro de Cac o cambios en BRP que regulan muy estrictamente los niveles de Cac. Cunningham cambió a alfa2delta. Cuando manipulé genéticamente cuánto se expresaba, descubrí que los niveles de alfa2delta determinaban directamente cuánto Cac se acumulaba en las regiones activas.

En otros experimentos, Cunningham también pudo demostrar que la capacidad de alpha2delta para mantener los niveles de Cac depende del suministro de Cac a las neuronas en general. Este resultado sugiere que en lugar de controlar la cantidad de Cac en las regiones activas a través de su estabilización, es probable que alfa 2delta actúe aguas arriba, durante el tráfico de Cac, para suministrar y reabastecer Cac a las regiones activas.

Cunningham utilizó dos métodos diferentes para monitorear la ocurrencia del reabastecimiento, produciendo mediciones de su alcance y tiempo. Eligió Moment después de unos días de desarrollo para fotografiar áreas activas y medir la abundancia de tortas para determinar el paisaje. Blanqueó esa fluorescencia de Cac para borrarla.

Después de 24 horas, volví a imaginar la fluorescencia de Cac para resaltar solo los nuevos Cac entregados a las áreas activas durante esas 24 horas. Ella vio que durante ese día hubo entrega de Cac en casi todas las áreas activas, pero el trabajo de un día era en realidad una fracción de lo que se generó durante varios días antes.

Además, pudo ver que las áreas activas más grandes acumulaban más Cac que las más pequeñas. Y en las moscas que albergaban la mutación alfa2delta, hubo muy poca entrega de Cac nuevo.

Si los conductos de Cac se reponían constantemente, Cunningham quería saber con qué rapidez se retiraban los conductos de Cac de las áreas activas.

Cuantos más científicos eliminaron una proteína llamada alfa2delta con diferentes tratamientos (dos columnas a la derecha), menos canal de calcio se acumuló Cac en las áreas sinápticas activas de la neurona de la mosca (brillo y número de puntos verdes) en comparación con los controles no modificados (izquierda columna). Crédito: Laboratorio Littleton / Instituto Picower del MIT

Para determinar esto, utilizó una técnica de tinción con una proteína fotoconmutable llamada Maple que estaba etiquetada con una proteína Cac que le permitía cambiar de color con un destello de luz en el momento que ella eligiera. De esta manera, primero puede ver cuánto Cac se ha acumulado en un tiempo determinado (que se muestra en verde) y luego encender una luz para hacer que Cac se vuelva rojo.

Cuando revisé cinco días después, alrededor del 30 por ciento del kak rojo había sido reemplazado por kak verde nuevo, lo que indicaba una rotación del 30 por ciento. Cuando los niveles de suministro de Cac se redujeron por la mutación alfa2 delta o por la reducción de la biosíntesis de Cac, cesó la renovación de Cac. Esto significa que una gran cantidad de Cac se invierte cada día en las áreas activas y que la tasa de circulación está impulsada por la entrega de nuevos Cac.

Littleton dijo que su laboratorio está ansioso por aprovechar estos hallazgos. Ahora que las reglas para la abundancia y el reabastecimiento de los canales de calcio están claras, quiere saber cómo difieren cuando las neuronas experimentan plasticidad, por ejemplo, cuando la nueva información entrante requiere que las neuronas ajusten sus conexiones para extender o disminuir la conectividad sináptica.

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También está interesado en rastrear los canales de calcio individuales a medida que se producen en el cuerpo celular y luego se mueven por el axón a las regiones activas, y quiere identificar otros genes que puedan influir en la abundancia de Cac, dijo.

Además de Cunningham y Littleton, los otros autores del artículo son Chad Sauvola y Sarah Tavana.

Financiación: Los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación JPB brindaron apoyo para la investigación.

Sobre esta investigación en Neuroscience News

autor: David Orenstein
fuente: Instituto de utensilios para hornear para el aprendizaje y la memoria
Contacto: David Orenstein – Instituto Becker para el Aprendizaje y la Memoria
imagen: Imagen acreditada a Littleton Lab / MIT Picower Institute

búsqueda original: acceso abierto.
“Regulación de la abundancia de canales de Ca2+ presinápticos en regiones activas a través de la homeostasis del suministro y la rotación” por Troy Littleton et al. eLife


Resumen

Regulación de la abundancia de canales de Ca2+ presinápticos en regiones activas a través de la homeostasis del suministro y el recambio

Ca controlado por voltaje2+ Canales mediados por Ca (VGCC)2+ Flujo para estimular la liberación de neurotransmisores en sitios presinápticos especializados llamados áreas activas (AZ). La abundancia de VGCC en AZ regula el potencial de liberación de neurotransmisores (ss), uno de los principales determinantes presinápticos de la fuerza sináptica. Aunque la biosíntesis, la entrega y el reciclaje cooperan para crear una gran cantidad de AZ VGCC, ha sido difícil aislar experimentalmente estos distintos procesos reguladores.

Aquí describimos cómo los niveles AZ de Cacophony (Cac), el único transportador VGCC que media la transmisión sináptica en mosca de la frutadoblado

También analizamos la relación entre Cac, la subunidad reguladora α2δ de VGCC conservada y la proteína de andamio AZ central de Bruchpilot (BRP) en el establecimiento de una AZ funcional. Encontramos que Cac y BRP están regulados de forma independiente sobre el crecimiento de AZ, ya que Cac es prescindible para la formación de AZ y la maduración estructural, y la abundancia de BRP no limita la acumulación de Cac. Además, las AZ dejan de acumular Cac después de una etapa de crecimiento inicial, mientras que los niveles de BRP continúan aumentando debido al tiempo de crecimiento prolongado. AZ Cac también se amortigua frente a aumentos o disminuciones moderadas en la biosíntesis, mientras que BRP carece de esta amortiguación.

Para investigar los mecanismos que determinan la abundancia de AZ Cac, se utilizó la fotoconversión intravítrea de FRAP y Cac para medir la entrega y la tasa por separado en AZ individuales durante un período de varios días. La entrega de Cac ocurre ampliamente en la población de AZ, se correlaciona con el tamaño de AZ y está restringida por α2δ.

Si bien Cac no experimenta una transferencia lateral significativa entre las AZ adyacentes durante el transcurso del desarrollo, la eliminación de Cac de las AZ ocurre y se promueve a través de la entrega de nuevo Cac, lo que crea un techo para la acumulación de Cac en las AZ maduras.

Juntos, estos resultados revelan cómo la biosíntesis, la entrega sináptica y el reciclaje de Cac determinan la abundancia de VGCC en AZ individuales durante el desarrollo y mantenimiento de la sinapsis.

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