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

Las neuronas se comunican entre sí en uniones llamadas sinapsis. Cuando los iones de calcio se mueven a «áreas activas» llenas de vesículas que contienen mensajes químicos, comienzan a «contactarse». Las vesículas se «fusionan» en las membranas externas de las neuronas presinápticas debido al calcio cargado eléctricamente, liberando su carga química conectada a la conexión con la célula postsináptica.

Un nuevo estudio del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria en Instituto de Tecnología de Massachusetts Revela cómo las neuronas crean y sostienen esta infraestructura crítica.

Los canales de calcio son una parte importante del motor en el lado presináptico que convierte las señales eléctricas en transmisión sináptica química porque son el principal determinante de la entrada de calcio, que luego provoca la fusión de vesículas. Sin embargo, no estaba claro cómo se acumulan en las áreas activas.

Este nuevo estudio proporciona pistas sobre cómo las regiones activas se acumulan y regulan la abundancia de canales de calcio.

Troy Littleton, autor principal del nuevo estudio y profesor Menicon de Neurociencia en los Departamentos de Biología, Cerebro y Ciencias Cognitivas del MIT, dijo: «Se sabe que la modulación de la función de los canales de calcio presinápticos tiene importantes implicaciones clínicas. Es importante comprender la base de cómo se regulan estos canales».

¿Son necesarios los canales de calcio para el desarrollo de las zonas activas?

Los científicos querían determinar la respuesta a esta pregunta en las larvas. Cabe señalar que el gen del canal de calcio de la mosca (llamado cacofonía o Cac) es tan importante que no pueden vivir sin él.

En lugar de eliminar Cac en toda la mosca, los científicos utilizaron una técnica para eliminar Cac en una sola población. células nerviosas. Han demostrado que las áreas activas se desarrollan regularmente incluso sin Cac al hacerlo.

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También utilizaron otra técnica que alarga artificialmente el estado larvario de la mosca. Descubrieron que, dado el tiempo adicional, la región activa continuaría construyendo su estructura con una proteína llamada BRP, pero la acumulación de Cac se detuvo después de los seis días normales.

También descubrió que los aumentos o disminuciones moderados en el suministro de Cac disponible en las neuronas no afectaban la cantidad de Cac que terminaba en cada región activa. Para su sorpresa, encontraron que aunque el número de Cac aumentaba con el tamaño de cada región activa, rara vez cambiaba si reducían significativamente el BRP en la región activa. De hecho, las neuronas parecen establecer un techo fijo sobre la cantidad de Cac presente en cada región activa.

Karen Cunningham, investigadora posdoctoral del Instituto Tecnológico de Massachusetts, dijo: «Estaba revelando que las neuronas tenían bases muy diferentes para proteínas estructurales en la región activa, como BRP, que continuaba acumulándose con el tiempo, en comparación con un canal de calcio que estaba estrictamente regulado y su abundancia restringida».

Además de la presentación de Cac o los cambios en BRP, otros factores deben regular los niveles de Cac muy estrictamente. Cambiaron a alfa2delta.

Mediante la manipulación genética de la expresión de la cantidad, los científicos descubrieron que los niveles de alfa2delta determinan directamente la cantidad de Cac que se acumula en las regiones activas. Otros experimentos también revelaron que suministrar Cac a las neuronas controla la capacidad de alpha2delta para mantener los niveles de Cac.

Se sugiere que en lugar de controlar la cantidad de Cac en las regiones activas a través de su estabilización, alpha2delta probablemente actúe río arriba, durante el tráfico de Cac, para suministrar y reabastecer Cac a las regiones activas.

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Usando dos métodos diferentes, observaron el reabastecimiento. También generaron mediciones de él y su tiempo.

Cunningham eligió Moment después de unos días de desarrollo para fotografiar áreas activas y medir la abundancia de Cac para determinar el paisaje. Luego 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.

Noté que Cac se entregó en casi todas las áreas activas ese día. Sin embargo, el trabajo de ese día fue, de hecho, insignificante en comparación con el trabajo atrasado de los días anteriores. También vio que las áreas activas más grandes tenían más acumulación de Cac que las más pequeñas. Además, no hubo una nueva entrega de Cac en los modelos de mosca alpha2delta modificados.

La siguiente tarea fue determinar la velocidad con la que se eliminan los canales Cac de las regiones activas. Para hacer esto, los científicos utilizaron una técnica de tinción con una proteína fotoconmutable llamada Maple que estaba etiquetada con la proteína Cac. Esto les permitió cambiar de color con un destello de luz en el momento de su elección.

Al hacerlo, se muestra cuánto Cac se ha acumulado en un momento determinado (que se muestra en verde) y luego parpadea la luz para que Cac se vuelva roja. Después de cinco días, aproximadamente el 30 por ciento de los caquis rojos habían sido reemplazados por nuevos caquis verdes. Este recambio de Cac cesó cuando los niveles de entrega de Cac se redujeron por mutación alfa2 delta o biosíntesis de Cac reducida.

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Cunningham dijo, «Esto significa que una cantidad significativa 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 Él dijoY el «Ahora que las reglas para la abundancia y el reabastecimiento de los canales de calcio son claras, quiero saber cómo difieren cuando las neuronas experimentan plasticidad, por ejemplo, cuando la nueva información entrante requiere que las neuronas ajusten sus conexiones para expandir o reducir la conectividad sináptica».

«También estoy 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 quería identificar otros genes que podrían influir en la abundancia de Cac».

Referencia de la revista:

  1. Karen L. Cunningham, Chad W. Sauvola, Sarah Tavana, J. Troy Littleton. Regulación de la abundancia de canales de Ca2+ presinápticos en regiones activas a través de la homeostasis del suministro y la rotación. Neurología. DOI: 10.7554 / eLife.78648

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