Senzorne ćelije i neuroni u uhu komuniciraju tako što luče neurotransmitere kao odgovor na zvučne stimuluse. Naučnici Univerzitetskog medicinskog centra Getingen,Cluster of Excellence Multiscale Bioimaging i Maks Plank institut za multidisciplinarne nauke opisuju nove detalje ovog procesa koji reguliše oslobađanje neurotransmitera i tako kontroliše prenos zvučnih stimulusa. Rezultati ovog rada objavljeni su u Zborniku Nacionalne akademije nauka.
Naš nervni sistem sadrži oko 100 milijardi nervnih ćelija koje međusobno komuniciraju na oko 100 triliona kontaktnih tačaka, poznatih kao sinapse. Komunikacija se odvija preko supstanci glasnika koje omogućavaju prenos informacija između senzornih ćelija i neurona. Ove supstance nam omogućavaju da obrađujemo stimulanse iz okoline, učimo i kontrolišemo svoje ponašanje.
Oni takođe igraju fundamentalnu ulogu u prenošenju zvučnih informacija u procesu sluha i mogu biti uzrok poremećaja sluha. Takvi poremećaji su veoma česti: prema podacima Svetske zdravstvene organizacije (SZO), oko 466 miliona ljudi, što odgovara oko 5% svetske populacije, pati od onesposobljavanja sluha. Razumevanje elementarnih procesa sluha je važan preduslov za razvoj boljih metoda za lečenje gubitka sluha u budućnosti.
Naučnica dr Lina Marija Haime Tobon i direktor odeljenja prof. dr Tobijas Mozer, oboje rade na Institutu za auditornu neuronauku Univerzitetskog medicinskog centra Getingen (UMG), u klasteru izvrsnosti „Multiskala bioimaging: od molekularnih mašina do mreža Ekscitabilne ćelije“ (MBEkC) i na Institutu za multidisciplinarne nauke Maks Plank (MPI-NAT), sada su istraživali sinapse između senzornih ćelija za kosu u unutrašnjem uhu i neurona slušnog nerva.
U ovim sinapsama, dolazne zvučne informacije se pretvaraju u neuronski signal koji tačno prenosi opaženi zvuk u mozak. Po prvi put, pojedinačne sinapse u unutrašnjem uhu slušnih miševa su analizirane korišćenjem tehnike patch-clamp koju su pioniri Ervin Neher i Bert Sakman u Getingenu. Ovaj metod omogućava da se „posmatra“ proces kodiranja zvuka.
Glavni fokus rada naučnika bio je na pitanju kako sinapse spajaju oslobađanje neurotransmitera, glutamata, sa zvučnim stimulusom. Glutamat je, između ostalog, uključen u prenos stimulusa između senzornih i nervnih ćelija.
Unutar senzornih ćelija, glutamat se transportuje do sinapse u „vezikulama“. Dolazni zvuk aktivira kalcijumove kanale na sinapsama, kroz koje joni kalcijuma ulaze u ćeliju i pokreću oslobađanje glutamata. Rezultati pokazuju kako se oslobađanje glutamata povećava sa jačinom stimulusa, odnosno kako se „zvučni signal“ pretvara u „glutamatni signal“ i kakvu ulogu imaju kalcijumski kanali u ovoj konverziji. Glavni akteri u ovom procesu su kalcijumski kanali, joni kalcijuma i sinaptičke vezikule, koji su očigledno udaljeni nekoliko milionitih delova milimetra od kanala.
U sluhu, zvučni talasi se prenose od spoljašnjeg uha do bubne opne, što uzrokuje da male slušne koščice u srednjem uvu vibriraju. Ove vibracije na kraju stimulišu senzorne ćelije dlake u pužnici unutrašnjeg uva. Ćelije dlake pretvaraju mehanički stimulans u električnu aktivnost i prenose je na slušni nerv. Promena električnog potencijala ćelije je jača kao odgovor na glasnije zvukove.
U sinapsi, promena potencijala aktivira kalcijumove kanale, koji naknadno dozvoljavaju jonima kalcijuma da uđu u ćeliju. Mesindžerske supstance, kao što je glutamat, transportuju se u vezikulama do sinapse. Joni kalcijuma koji ulaze u ćeliju kroz kalcijumove kanale zauzvrat izazivaju oslobađanje glutamata iz vezikula u jaz između ćelije kose i nervne ćelije. Glutamat sada može da aktivira suprotna nervna vlakna slušnog nerva, koja prenose zvučne informacije kao nervne impulse do mozga.
U svojoj studiji, naučnici iz Getingena su istraživali pitanje kako električno pražnjenje ćelije aktivira pojedinačne sinapse za oslobađanje neurotransmitera. Rezultati pokazuju da kalcijumski kanal i vezikula uvek čine funkcionalnu celinu. Svaki od kalcijumovih senzora koji se nalaze na vezikulama, koji obezbeđuju oslobađanje supstanci glasnika, očigledno mora da veže četiri jona kalcijuma pre nego što se kurirske supstance konačno pošalju u susednu nervnu ćeliju slušnog nerva.
„Prvi put smo bili u mogućnosti da istražimo spajanje kalcijumovih kanala i oslobađanja neurotransmitera na pojedinačnim sinapsama ćelija kose sa najvećom vremenskom rezolucijom. Na ovaj način smo mogli da detaljno proučavamo oslobađanje transmitera prve faze kratkog milisekundi“, kaže dr. Tobon, koji je takođe član Hertha Sponer College MBEkC-a. „Ovo nam je omogućilo da pouzdano odredimo broj jona kalcijuma koji treba da se vežu za senzor sinaptičkih vezikula za oslobađanje.“
„Ovaj napredak je uzbudljiv primer rada u MBEkC klasteru izvrsnosti“, kaže prof. dr Mozer, stariji autor publikacije. „Naš prethodni rad je već dao početne indikacije o bliskoj prostornoj povezanosti oslobađanja glutamata iz sinaptičkih vezikula do priliva kalcijuma kroz susedne kalcijumove kanale. Visoka osetljivost merenja koja su ovde sprovedena sada nudi najprecizniju kvantifikaciju ovog poznatog procesa. nama, što se odvija na skali od nekoliko milionitih delova milimetra“, kaže Mozer.
