Внесинаптические рецепторы необходимы для производства активности в нейроне полосатого тела. Нейроны были записаны из срезов ткани головного мозга в трех различных условиях. На графике 1 исследователи электрически стимулировали нейрон без какой-либо внесинаптической реакции или в «неактивном» состоянии. На графике 2 исследователи добавили нейромедиатор NMDA. Это повысило мембранный потенциал и позволило вызвать множество потенциалов действия с помощью электростимуляции. На графике 3 исследователи добавили мемантин и показали, что препарат блокирует почти все потенциалы действия, блокируя большую часть внесинаптической активности.
Синапс, название места приема сигнала на нейроне, происходит от греческого слова, обозначающего контакт. Нейробиологи утверждали, что нейроны образуют взаимно-однозначные отношения, чтобы контактировать друг с другом. Тем не менее, все больше исследователей находят доказательства, которые показывают, как нейроны функционируют как часть сети. Входящее возбуждение не всегда вызывает исходящий сигнал. Некоторые возбуждения изменяют состояние нейрона, подготавливая нейрон к следующим сигналам. Ученые из аспирантуры Окинавского института науки и технологий из отдела изучения поведения мозга профессора Гордона Арбутнотта только что завершили исследование, в ходе которого обнаружили нейроны, принимающие сигналы в области за пределами синапсов, и эти сигналы изменили способ интерпретации нейронами следующего сигналы.
Результаты, проведенные под руководством исследователей Марианелы Гарсиа-Муньос и Виолетты Лопес-Уэрта, дают представление о механизме, который, как считается, запускает гибель клеток, и 18 сентября 2014 года эта работа была опубликована в Интернете в журнале Neuropharmacology.
В течение многих лет нейробиологи думали, что только синапс может содержать рецепторы, нейромедиатор ловит лапы на нейронах. Но когда они применили нейромедиатор под названием NMDA к области вокруг синапса, они поняли, что могут вызывать разные реакции. Любой рецептор, расположенный рядом, но не в синапсе, стал известен как внесинаптический рецептор. Однако стимуляция внесинаптических рецепторов иногда запускает молекулярный путь, который убивает нейрон. Тем не менее, внесинаптические рецепторы озадачили профессора Арбутнотта, который предположил, что наличие группы рецепторов, которые действуют только как кнопки самоуничтожения, не имеет эволюционного смысла. "Может быть, ты сможешь что-то сделать с этим путем," он сказал.
Гарсия-Муньос и Лопес-Уэрта исследовали назначение внесинаптических рецепторов, сначала воздействуя на срезы мозга. Срезы, которые они использовали, соединяли полосатое тело, часть мозга, участвующую в движении, с корой, которая, как они знали, передает сигналы полосатому телу. Однако, когда они пытались спровоцировать стриатум, стимулируя кору, нейроны стриатума молчали. Затем они добавили нейромедиатор NMDA в срез мозга, где NMDA будет взаимодействовать как с синаптическими, так и с внесинаптическими рецепторами. Это изменило чувствительность нейрона за счет увеличения мембранного потенциала или заряда нейрона. Чем выше мембранный потенциал, тем меньше дополнительной стимуляции требуется нейрону для активации потенциала действия. Имея более высокий мембранный потенциал, исследователи могли запускать множество потенциалов действия. Наконец, Гарсия-Муньос и Лопес-Уэрта добавили мемантин, лекарство от болезни Альцгеймера, которое замедляет прогрессирование деменции, блокируя внесинаптические рецепторы и тем самым блокируя путь, запускающий гибель клеток. При действии мемантина и отключении внесинаптических рецепторов исследователи смогли вызвать лишь несколько потенциалов действия с помощью электричества. Таким образом, исследователи могли сказать, что внесинаптические рецепторы необходимы для повышения мембранного потенциала стриатальной клетки, переводя ее в более чувствительное состояние.
Нейроны на этом видео содержат краситель, который флуоресцирует при встрече с ионами кальция. Когда нейрон возбужден, кальций поступает в клетку, и нейрон флуоресцирует. Исследователи наблюдали за такими экспериментами, как этот, чтобы увидеть, какие нейроны срабатывают синхронно, а какие – отдельно.
Затем Гарсия-Муньос и Лопес-Уэрта использовали визуализацию кальция, чтобы посмотреть, как внесинаптические рецепторы изменяют нейронную сеть. Когда нейромедиатор взаимодействует с рецептором, клетка открывает закрытые каналы. Это позволяет положительно заряженным ионам кальция проникать через мембрану клетки, повышая мембранный потенциал. Гарсия-Муньос и Лопес-Уэрта добавили краситель в систему, чтобы, когда ионы кальция попадают в клетку, они взаимодействуют с красителем, вызывая флуоресценцию этой клетки. "Поскольку кальций является прямым показателем электрической активности, вы можете видеть, когда нейрон активируется," Лопес-Уэрта объяснил. "Мы можем видеть активность сотен клеток одновременно," она сказала. "Как светлячки," Гарсия-Муньос добавил. Затем исследователи снова применили мемантин, чтобы заблокировать внесинаптические рецепторы. Нейроны флуоресцируют гораздо реже и менее синхронно.
Основываясь на этих экспериментах, Гарсия-Муньос и Лопес-Уэрта пришли к выводу, что внесинаптические рецепторы необходимы для установления плато, относительно длительного 200-миллисекундного подъема мембранного потенциала. Хотя плато не вызывает потенциалов действия, которые длятся ближе к одной миллисекунде, подъем электрического заряда дает нейрону своего рода опору. Фактически, Арбутнотт говорит, что плато необходимо для передачи сигналов. "Клетки в полосатом теле не активируют потенциалы действия, если они не поднялись и не находятся в каком-то состоянии плато," сказал Арбутнотт. Если это относится к другим частям мозга, что, по мнению группы, возможно, внесинаптические рецепторы необходимы для коммуникации в масштабах всего мозга. Как заключил Арбутнотт, "Если вам нужно это плато, вам могут понадобиться эти внесинаптические рецепторы."