Tieteelliset ja teknologiset uutiset

Aivoyhteydet: synapsien muodostumisen mekanismit 🧠

Aivojen toiminta perustuu erittäin tarkkojen yhteyksien luomiseen hermosolujen välillä: synapseihin. Äskettäin julkaistu tutkimus Nature Neuroscience -lehdessä paljastaa, että erilaisten synapsityyppien muodostaminen vaatii useita peräkkäisiä molekyylidiversifikaatiovaiheita nisäkkäiden aivojen kehityksen aikana.


Tämä löytö kyseenalaistaa yli 60 vuotta vanhan teoreettisen mallin ja avaa uusia näkökulmia synaptisiin puutteisiin liittyvien neurodevelopmentaalisten häiriöiden ymmärtämiseen.

Hermojen väliset yhteydet, joita kutsutaan synapseiksi, ovat aivojen välttämättömiä toiminnallisia yksiköitä. Niitä on erilaisia, mikä mahdollistaa hyvin monenlaisten hermosolujen yhdistämisen monimutkaisiksi ja tarkasti säädellyiksi piireiksi, jotka hallitsevat kaikkia aivotoimintoja.

Vuonna 1963 Roger Sperry esitti perustavanlaatuisen hypoteesin, jota kutsutaan "kemofiniydeksi": tämän teorian mukaan jokainen synapsityyppi määritellään ainutlaatuisella molekyylien yhdistelmällä, joka määräytyy hermosolujen synnyn aikana. Vaikka useiden vuosikymmenten tutkimus on mahdollistanut monien liima-aineiden tunnistamisen, jotka ovat mukana erilaisten synapsityyppien muodostamisessa ja ylläpidossa, erityisten molekyylikombinaatioiden olemassaoloa jokaiselle yhteystypille sekä niiden ohjaavaa roolia kehityksen aikana ei ole aiemmin todistettu.

Uusi näkemys synapsien monimuotoisuuden kehityksestä

Tutkimuksessa, joka julkaistiin Nature Neuroscience -lehdessä, tiedemiehet paljastivat odottamattoman mekanismin synapsien kehityksessä tutkimalla pikkuaivoja, aivojen rakennetta, joka vastaa motorisesta koordinoinnista ja osallistuu moniin kognitiivisiin prosesseihin.

Tässä rakenteessa Purkinjen solut saavat kahta tyyppiä eksitoivia synapseja: kiipeävien kuitujen synapseja ja rinnakkaisten kuitujen synapseja. Vaikka nämä kaksi yhteystyyppiä muodostuvat aluksi samalla Purkinjen solun alueella, ne lopulta vievät erillisiä alueita ja saavat hyvin erilaisia ominaisuuksia kypsyessään. Yhdistämällä transkriptomiikkaa, bioinformatiikkaa ja geneettisiä manipulointeja hiirillä, tiedemiehet ovat aluksi osoittaneet, että erilliset molekyylikombinaatiot todella määrittävät nämä kaksi synapsityyppiä kypsässä verkostossa.

Kuitenkin, toisin kuin odotettiin, tutkimus paljastaa, että nämä yhdistelmät eivät ole ennalta määrättyjä, vaan kehittyvät vaiheittain verkoston kehityksen ja kypsymisen aikana.

Erityiset kehityssäännöt jokaiselle synapsityypille

Yllättävää kyllä, tulokset osoittavat myös, että kiipeävien kuitujen ja rinnakkaisten kuitujen synapsit käyttävät aluksi yhteistä presynaptista molekyyliä muodostaakseen yhteyksensä Purkinjen soluihin. Tämän jälkeen kiipeävien kuitujen hermosolut kehittävät vähitellen erityisen molekyylisignatuurin, vapauttaen näin uusia liima-aineita synapseihinsa, kun taas rinnakkaisten kuitujen yhteydet säilyttävät alkuperäisen identiteettinsä.

Tämä löytö selittää, miksi nämä kaksi kuitutyyppiä jakavat aluksi saman alueen Purkinjen soluissa ennen kuin ne eristyvät erillisiin alueisiin, mikä johtuu suoraan niiden molekyylikoodien eriytymisestä. Huomionarvoista on, että nämä koodit määräytyvät osittain eritettyjen molekyylien kautta, eivätkä "perinteisten" liima-aineiden kautta.

Tiedemiehet ovat lopulta osoittaneet, että kiipeävien kuitujen hermosolujen sähköinen aktiivisuus säätelee omien synapsiensa molekyylikypsymistä, mikä viittaa siihen, että ulkoiset tekijät, kuten aistimotorinen kokemus, voisivat erityisesti moduloida tiettyjä hermoyhteyksiä tämän varhaisen kehitysvaiheen aikana.

Kohti parempaa ymmärrystä neurodevelopmentaalisista häiriöistä

Tämä uusi vaiheittainen malli hermoyhteyksien kehityksestä voisi päteä muihin aivojen alueisiin, joissa erilaiset hermosolut yhdistyvät hyvin määriteltyihin kohdealueisiin, aivan kuten pikkuaivoissa. Tätä hypoteesia tukee se, että kiipeävien ja rinnakkaisten synapsien molekyylejä on havaittu koko aivoissa, missä ne voisivat toimia samassa roolissa synapsien identiteetin koodauksessa.


Tämä perustava löytö avaa uusia näkymiä aivojen piireiden muodostamisen monimutkaisuuden ymmärtämiseen ja joidenkin oireiden alkuperään kehityshäiriöissä, kuten autismikirjon häiriöissä tai skitsofreniassa.

Viite:
Paul MA*, Sigoillot SM* et al., Stepwise molecular specification of excitatory synapse diversity onto cerebellar Purkinje cells. Nature Neuroscience. Published online December 10, 2024. https://doi.org/10.1038/s41593-024-01826-w
* Vastuu yhtä suuri.