מדעני מוח מאוניברסיטת פלורידה אטלנטיק חשפו תפקיד מפתיע לחלבון בשם "Frazzled" (הידוע כ-DCC ביונקים) במערכת העצבים של זבובי פירות, והראו כיצד הוא עוזר לנוירונים להתחבר ולתקשר במהירות הבזק. התגלית שופכת אור על המנגנונים הבסיסיים המבטיחים שנוירונים יוצרים קשרים אמינים, או סינפסות, תהליך חיוני לכל מערכות העצבים, מחרקים ועד בני אדם.
במחקר, החוקרים התמקדו במערכת סיבים ענקיים (GF) של תסיסנית, מעגל עצבי השולט ברפלקס הבריחה המהיר של זבוב הפירות הזה. עם העבודה הזו, הצוות לא רק חשף שחקן מולקולרי מרכזי במעגלים עצביים של זבוב הפירות, אלא גם הוכיח את הכוח של שילוב גנטיקה, הדמיה, פיזיולוגיה ומודלים חישוביים כדי לחשוף כיצד מוחות נשארים מחוברים – ומה קורה כשהם לא.
התוצאות, שפורסמו בכתב העת eNeuro, מגלות שכאשר Frazzled חסר או עובר מוטציה, המערכת מדשדשת: נוירונים לא מצליחים ליצור קשרים חשמליים תקינים, התגובות העצביות של הזבוב מואטות, והתקשורת בין נוירוני ה-GF והשרירים שהם שולטים בהם נחלשת.
פגמים אלו קשורים לאובדן של צמתים מרווחים, ערוצים זעירים המאפשרים לנוירונים להעביר אותות ישירות ומהיר. בפרט, הצוות מצא כי אובדן של חלבון הנקרא shaking-B(neural+16), היוצר את הצמתים הללו בטרמינלים הפרה-סינפטים, עומד בבסיס חלק ניכר מהפעולה השגויה.
כדי להבין את תפקידו המדויק של Frazzled, החוקרים השתמשו בכלי גנטי הידוע בשם UAS-GAL4 מערכת כדי להחדיר מחדש חלקים שונים של חלבון Frazzled לזבובים מוטנטים. באופן מדהים, רק החלק התוך תאי של Frazzled – החלק בתוך הנוירון שיכול להשפיע על ביטוי גנים – הספיק כדי לשחזר גם את מבנה הסינפסות וגם את מהירות התקשורת הנוירונית. כאשר חלק זה נשבש, כגון על ידי מחיקת תחום מפתח בשם P3 או שינוי של אתר מכריע בתוכו, ההצלה נכשלה, מה שמעיד על כך שהשליטה של Frazzled בפעילות הגנים חיונית לבניית צמתים מרווחים.
מעבר לניסויי מעבדה, הצוות יצר גם מודל חישובי של מערכת GF, המדמה כיצד מספר צומת הפער משפיע על יכולתם של הנוירונים לירות בצורה מהימנה. המודל אישר שאפילו שינויים קטנים בצפיפות צומת הפער יכולים לשנות באופן דרסטי את המהירות והדיוק של אותות עצביים.
השילוב של עבודה ניסיונית וחישובית אפשר לנו לראות לא רק ש-Frazzled חשוב, אלא בדיוק איך הוא מעצב את הקשרים שמאפשרים לנוירונים לדבר זה עם זה. הצעדים הבאים שלנו הם לחקור האם מנגנונים דומים שולטים במעגלים עצביים במינים אחרים, כולל יונקים, ולראות כיצד זה עשוי להשפיע על למידה, זיכרון או אפילו תיקון לאחר פציעה."
רודני מרפי, Ph.D., סופר בכיר ופרופסור למדעי הביולוגיה ב-FAU Charles E. Schmidt College of Science
מעניין לציין, שבעוד ש-Frazzled נחקרה זה מכבר כמולקולת הנחיה – המסייעת לנוירונים לצמוח לאורך הנתיבים הנכונים – המחקר גילה שהתחום התוך-תאי שלו גם מווסת ישירות את היווצרות הסינפסה. זבובים חסרי Frazzled הראו לעתים קרובות נוירונים שצמחו בכיוונים אקראיים, ולא הצליחו להגיע למטרותיהם. שחזור התחום התוך תאי תיקן רבות משגיאות ההדרכה הללו, והדגים תפקיד כפול של Frazzled בשני נוירוני החיווט וכיוונון עדין של התקשורת שלהם.
עבודה זו מקבילה גם לאורגניזמים אחרים. חלבונים דומים בתולעים ובבעלי חוליות הוכחו כמשפיעים על סינפסות כימיות, מה שמצביע על כך ש-Frazzled וקרוביו עשויים למלא תפקיד משומר באופן נרחב בעיצוב רשתות עצביות. על ידי מראה כיצד חלבון יחיד שולט בהיבטים הפיזיים והתפקודיים של סינפסות חשמליות, מחקר זה פותח צוהר לכללים הבסיסיים השולטים בהרכבת מערכת העצבים.
"ההבנה כיצד נוירונים יוצרים קשרים אמינים היא שאלה מרכזית במדעי המוח", אמר מרפי. "Frazzled נותן לנו שליטה ברורה על חלק אחד של הפאזל הזה. הממצאים שלנו יכולים לספק מחקרים עתידיים על התפתחות עצבית, מחלות ניווניות ואסטרטגיות לתיקון מעגלים פגומים."
מחברי המחקר הם הסופר הראשון חואן לופז, Ph.D., חוקר פוסט-דוקטורט במכללת צ'ארלס א. שמידט למדעים; יאנה בורנר, Ph.D., מנהלת ליבת הדמיה מתקדמת של תאים בתוך מכון המוח של FAU Stiles-Nicholson; קלי רובינס, צוות מחקר במחלקה למדעי הביולוגיה של FAU; ורודריגו פנה, Ph.D., עוזר פרופסור למדעי הביולוגיה במכללה למדעים של צ'ארלס א. שמידט.
