במאמץ להבין כיצד תאי מוח מחליפים מסרים כימיים, מדענים אומרים כי הם השתמשו בהצלחה במיקרוסקופ מתמחה ביותר בכדי לתפוס פרטים מדויקים יותר של האופן בו אחת ממולקולות האיתות הנפוצות ביותר, גלוטמט, פותחת תעלה ומאפשרת שיטפון של חלקיקים טעונים להיכנס. הממצא, שנבע ממחקר שהובל על ידי חוקרי הרפואה של ג'ונס הופקינס, יכול לקדם את פיתוח התרופות החדשות החוסמות או פותחות ערוצי איתות כאלה לטיפול בתנאים מגוונים כמו אפילפסיה וכמה הפרעות שכליות.
דו"ח על הניסויים, הממומנים על ידי המכונים הלאומיים לבריאות ובשיתוף פעולה עם מדענים ב- Uthealth יוסטון, פורסם ב -26 במרץ בכתב העת Journal טֶבַעו
נוירונים הם הבסיס הסלולרי של המוח, והיכולת לחוות את הסביבה שלנו וללמוד תלויה בתקשורת (כימית) בין נוירונים. "
אדוארד טוומי, דוקטור
מדענים ידעו זה מכבר כי מולקולה עיקרית האחראית על תקשורת נוירון-נויורון היא הגלוטמט הנוירוטרנסמיטר, מולקולה בשפע בחללים שבין נוירונים. מקום הנחיתה שלו על נוירונים הוא ערוץ שנקרא קולטן AMPA, המקיים אינטראקציה עם גלוטמט, ואז פועל כמו נקבובית שלוקחת חלקיקים טעונים. הגלישה והזרימה של חלקיקים טעונים יוצרים אותות חשמליים המהווים תקשורת בין נוירונים.
כדי להבין פרטים על התנועות הזעירות של קולטני AMPA (ברמת האטומים הבודדים), החוקרים השתמשו במיקרוסקופ בעל עוצמה גבוהה מאוד כדי לדמיין ערוצים אלה במהלך צעדים ספציפיים בתהליכי התקשורת. לצורך המחקר, המדענים השתמשו במיקרוסקופ קריו-אלקטרוני (Cryo-EM) במתקן בבית הספר לרפואה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס.
בדרך כלל, מדענים קלים יותר ללמוד דגימות תאים המצוננות, מצב המספק סביבה יציבה. אולם בטמפרטורת גוף רגילה, הצוות של טוומי מצא כי קולטני AMPA ופעילות הגלוטמט עלו, ומספקים הזדמנויות רבות יותר לתפוס תהליך זה בתמונות קריו.
לשם כך, המדענים טיהרו קולטני AMPA, שנלקחו מתאים עובריים אנושיים שגדלו במעבדה המשמשים באופן נרחב במחקר מדעי המוח כדי לייצר חלבונים כאלה. לאחר מכן, הם חיממו את הקולטנים לטמפרטורת הגוף (37 מעלות צלזיוס או 98.6 מעלות פרנהייט) לפני שחשפו אותם לגלוטמט. מיד לאחר מכן, הקולטנים הוקפאו פלאש ונותחו באמצעות Cryoem כדי לקבל תמונת מצב של קולטני AMPA הקשורים למולקולת האיתות העיקרית, גלוטמט.
לאחר שהרכיב יותר ממיליון תמונות שצולמו עם Cryoem, הצוות מצא כי מולקולות גלוטמט פועלות כמו מפתח הפותח את הדלת לערוץ, מה שמאפשר לה להיפתח באופן נרחב יותר. זה מתרחש על ידי המבנה דמוי הצדפה של קולטן AMPA הנסגר סביב הגלוטמט, פעולה שפורחת את הערוץ למטה.
מחקריו הקודמים של טוומי הראו כי תרופות כמו Perampanel, המשמשות לטיפול באפילפסיה, פועלות כפסק דלתות סביב קולטן AMPA כדי להגביל את הערוץ מפתיחה והפחתת שפע הפעילות הידועה כמתרחשת בתאי מוח של אנשים עם אפילפסיה.
Twomey אומר כי ניתן להשתמש בממצאים לפיתוח תרופות חדשות הנקשרות לקולטני AMPA בדרכים שונות אשר פותחות או סוגרות את תעלות האיתות של תאי המוח.
"עם כל ממצא חדש, אנו מבינים את כל אחד מאבני הבניין המאפשרים למוחנו לתפקד", אומר טוומי.
מדענים נוספים שתרמו לעבודה הם אניש קומאר מונדל מג'ונס הופקינס ואליסה קרילו ווסנתי ג'ייארמן מ- Uthealth יוסטון.
המימון למחקר הוענק על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (R35GM154904, R35GM122528), תוכנית מלומדי סירל וקרן המחקר הרפואי דיאנה הליס הנרי.
