Istraživači sa Univerziteta Kjušu razvili su inovativnu tehniku za neinvazivno merenje dva ključna signala, napona membrane i nivoa intracelularnog kalcijuma, u isto vreme, u neuronima budnih životinja. Ova nova metoda nudi potpunije razumevanje kako neuroni funkcionišu, otkrivajući da ova dva signala kodiraju različite informacije za senzorne stimuluse. Istraživanje je objavljeno u Communications Biologi 16. septembra 2024.
Neuroni su ćelije koje deluju kao osnovni građevinski blokovi mozga, prenoseći informacije putem električnih signala. Kada neuron primi stimulus, promene u naponu membrane (električni naboj preko membrane neuronske ćelije) pokreću neuron da se aktivira, uzrokujući brze promene napona membrane da se propagiraju duž neurona kao električni signal. Ove promene u membranskom naponu zatim dovode do promena intracelularnog kalcijuma (nivoa kalcijuma unutar neurona).
Istorijski gledano, merenje napona membrane je uključivalo invazivne tehnike korišćenjem elektroda. Kao neinvazivnu alternativu, naučnici su razvili tehnike za merenje aktivnosti kalcijuma koristeći fluorescentne proteine koji su osetljivi na jone kalcijuma kao senzore, obezbeđujući indirektni proksi za aktivnost neurona. Međutim, ove različite metode znače da su dva signala skoro uvek proučavana odvojeno, što čini izazovom razumeti kako oni međusobno deluju u realnom vremenu i identifikovati njihove različite funkcije kod živih životinja.
Sada, novi napredak u razvoju fluorescentnih proteina koji reaguju na promene napona membrane znače da se i senzori kalcijum-jona i senzori membranskog napona mogu koristiti istovremeno.
„Istovremeno merenje intracelularnih jona kalcijuma i napona membrane može nam pomoći da razumemo kako neuroni kodiraju informacije za senzornu obradu u neuronskim krugovima“, kaže stariji autor profesor Takeshi Ishihara sa Prirodno-matematičkog fakulteta Univerziteta Kjušu.
U saradnji sa Fakultetom računarskih nauka i sistemskog inženjerstva na Kjušu institutu za tehnologiju, Ishihara i njegove kolege razvili su metod za istovremeno merenje intracelularnog kalcijuma i napona membrane u neuronima živih životinja. Snimanjem slika pod mikroskopom pri velikoj brzini od 250 kadrova u sekundi i upotrebom najsavremenije obrade slike, istraživači su uspeli da otkriju male i brze fluktuacije u fluorescentnom intenzitetu senzora jona kalcijuma i senzora membranskog napona.
Koristeći ovu novorazvijenu tehniku, naučnici su se fokusirali na to kako olfaktorni neuroni u Caenorhabditis elegans – sitne nematode koje se obično koriste kao model organizma u istraživanju neuronauke – reaguju na mirise.
Istraživači su otkrili da kada su izloženi mirisima, ovi neuroni menjaju napon membrane i nivoe intracelularnog kalcijuma. Važno je da je istraživački tim po prvi put otkrio da ovi signali kodiraju zasebne informacije. Dok je membranski napon ukazivao na prisustvo mirisa, nivoi intracelularnog kalcijuma odražavali su koncentraciju mirisa. Istovremenim merenjem oba signala, istraživači su uspeli da bolje razumeju kako mozak obrađuje i razlikuje senzorne ulaze.
Pored toga, autori su identifikovali dva jonska kanala koja su neophodna za promenu napona membrane izazvane senzornom stimulacijom. Tim je takođe otkrio da protein nazvan ODR-3, koji je uključen u prenos signala u neuronima, igra važnu ulogu u stabilizaciji napona membrane. Ovo sprečava neurone da se nepravilno aktiviraju kao odgovor na irelevantne stimuluse i reguliše vreme i veličinu odgovora na mirise.
U budućnosti, istovremena merenja membranskog napona i intracelularnog kalcijuma takođe bi se mogla dobiti u neuronima složenijih životinja, ili u drugim tipovima neurona, što bi potencijalno otkrilo uvid u kodiranje informacija u neuronskim krugovima.
Deleći svoje zaključne misli, Ishihara kaže: „Ova simultana merenja velike brzine otkrivaju različite funkcije napona membrane i signala intracelularnih jona kalcijuma izazvanih senzornim stimulusima. Ovi nalazi bi mogli da dovedu do boljeg razumevanja senzorne obrade u centralnom nervnom sistemu , ne samo u jednostavnim modelnim sistemima poput nematoda, već iu višim organizmima.“
