Одна из суперспособностей мозга — умение учиться на прошлом опыте и формировать воспоминания. Эти ключевые процессы зависят от изменения связей между нейронами. Синапсы — соединения между нервными клетками — на протяжении жизни укрепляются или ослабевают, что, в определенном смысле, постоянно перестраивает мозг на клеточном уровне. Это явление называется синаптической пластичностью.
Ее обеспечивают несколько процессов в нашей нервной системе. Один из них опосредован кальциевыми ионными каналами — молекулами, которые уже давно внимательно изучаются в Линчёпингском университете в Швеции (LiU).
«Я хочу раскрыть тайную жизнь этих молекул, — признался Антониос Пантазис с кафедры биомедицинских и клинических наук LiU. — Кальциевые ионные каналы выполняют крайне важные функции в организме — открываясь и закрываясь, они регулируют, среди прочего, передачу сигналов между нейронами. Но помимо этого, у них есть собственная „память“, и они могут запоминать предыдущие нервные импульсы».
Как молекула может запоминать?
В этом исследовании изучался конкретный тип ионного канала — CaV2.1, самый распространенный кальциевый канал в мозге. Он расположен в синапсе, на самом конце нейрона. Когда через нейрон проходит электрический сигнал, канал открывается, запуская процесс высвобождения нейромедиатора, который передается следующему нейрону. Таким образом, CaV2.1 выступают в роли «привратников» синаптической коммуникации между нейронами.
Длительная электрическая активность уменьшает количество открывающихся CaV2.1 каналов, что приводит к снижению выброса нейромедиатора, и «сообщение» принимающему нейрону становится слабее. Это похоже на то, как если бы каналы «запоминали» предыдущие сигналы, меняя свою реакцию на последующие. До сих пор ученые не понимали, как это работает на молекулярном уровне.
Исследователи из LiU обнаружили механизм этой «памяти» и описали в статье под названием: «Богатая конформационная палитра человеческого канала CaV2.1» в журнале Nature Communications.
Ионный канал — это большая молекула, состоящая из нескольких взаимосвязанных частей, которые могут перемещаться относительно друг друга в ответ на электрические сигналы. Оказалось, что канал способен принимать почти 200 различных форм в зависимости от силы и длительности сигнала — то есть это очень сложная молекулярная машина.
«Мы считаем, что при длительной электрической активности важная часть молекулы отсоединяется от „ворот“ канала, подобно тому, как сцепление в автомобиле разрывает связь между двигателем и колесами. После этого канал больше не может открыться. Когда сотни сигналов поступают в течение достаточно долгого времени, большинство каналов переходят в это „состояние памяти“ на несколько секунд», — объясняет Пантазис.
Мишень для будущих лекарств
Если ионный канал «помнит» всего несколько секунд, как он может влиять на обучение в течение жизни? Оказывается, такая коллективная память каналов может накапливаться со временем и ослаблять связь между двумя нейронами. Это, в свою очередь, приводит к изменениям в принимающем нейроне, которые сохраняются часами или днями. В конечном итоге это вызывает долгосрочные изменения в мозге, например, устранение ослабленных синапсов.
«Таким образом, „память“ длительностью в несколько секунд в одной молекуле может внести небольшой вклад в воспоминания человека, сохраняющиеся всю жизнь», — говорит исследователь.
У гена CACNA1A, который кодирует CaV2.1, большое разнообразие вариантов, и некоторые из них связаны с редкими, но тяжелыми неврологическими заболеваниями, часто наследственными. Чтобы разработать лекарства от них, важно понимать, на какую часть канала нужно воздействовать и как именно менять его активность. «Наша работа указывает, какая часть белка должна стать мишенью для новых препаратов», — заключил Антониос Пантазис.