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“大脑用力量镌刻记忆 ——通过突触的力量和压力感觉发现新的传递方式——”

2021-11-26  Wsz6868

1 .主讲人: 河西春郎(东京大学研究生院医学系研究科附属疾病生命工学中心结构生学部门教授/东京大学国际高等研究所神经智能国际研究机构( WPI-RCN )主任研究者) UCAR Hasan (东京大学国际高等研究所神经智能国际研究机构( WPI-IRCN )特任助教)

2 .发表要点: ◆长期记忆形成之际,已知树突棘在大脑突触中增大,但发现该的运动通过以与肌肉收缩同等程度的力按压突触前部,具有增强递质释放的效果(压力感觉)。 作为突触中的信息传递方式,已知有通过化学物质的释放来传递信号的化学传递和通电的电气传递两种方式。 这次,我们发现了通过增大和压力感觉的力学传递这一新的第三种样式。 ◆我们使用头部时,突触的前部和后部通过力发生相互作用,形成短期长期记忆。 这次被阐明的力学传递是理解大脑的新关键。

3 .发表概要: 作为大脑兴奋性突触后部的树突(注1、图1A )在学习时进行扩张头部体积的增大运动,增强自身的功能(谷氨酸敏感性)。 东京大学研究生院医学系研究科的河西春郎教授(该大学神经智能国际研究机构主任研究者)、东京大学神经智能国际研究机构的UCAR Hasan特任助教等在这增大运动中,从力学上推压轴突末梢,末梢发现了感知这个力并增强递质释放。这个作用也可以通过玻璃移液管和蔗糖的渗透压施加观察到,增强效果也持续了20-30分钟。 根据该轴突的压力感觉测量的增大力的大小为0.5 kg/cm2,与肌肉张力相当。 在突触中,信息可以通过通电的电气传递,也可以通过化学物质交换的化学传递来传递,但从这次的结果来看,的运动在轴突末端被感知并转换,还明确了力学传递这一力学样式(图1、2 )。 末梢神经的轴突末梢感觉接受机制成为了今年诺贝尔生理学奖的对象,但是这次的研究首次表明中枢神经(大脑)的轴突末梢也有感觉接受机制。 与末梢的机构和意义都不同,大脑中有可能被用于保持短期的记忆(图3 )。 我们的运动能力有个人差异,就像擅长的技能不同一样,大脑突触的运动也有个人差异,可能决定了头脑的个性。 由于突触与导致精神疾病的许多分子有关,通过对其运动性和压感的调查,我们对智能起源的理解将加深,精神疾病的诊断和治疗方法将被开拓出来。 本研究在JST战略性创造研究推进事业( CREST )、文部科学省科学研究费资助事业的支持下,将于2021年11月24日在国际科学杂志《网络版》上发表。

4 .发表内容:    大脑突触的70% (兴奋性突触的90% )是在树突(注1,图1A )这一刚毛结构上形成的。 我们发现,在反复刺激时会进行扩大头部体积的增大运动,结果引起长期谷氨酸敏感性的增大,形成长期记忆。 但是,突触增大运动时,必然会按压轴突末梢。 轴突末梢通过开口释放这一力学机构进行递质释放(图1C ),调查被按压的影响是个悬案(图1D )。 突触的性质通常作为许多突触的集合来测量。 但是,要观察突触的运动性时,必须一个一个分离进行观察。 我们是单一的开发并使用了研究突触后部骨架运动性的双光子锚定法(注2 )。 除此之外,还包括突触前部末端的光刺激( CsChrimsonR ) (注3 )、谷氨酸释放的荧光测定( iGluSnFR ) (注4 )、以及检测引起释放的SNARE蛋白质(注5 )的缔合( iSLIM ) 结果发现,挤压的轴突末端部位发生SNARE蛋白质的会合,促进谷氨酸的释放(图2 )。 这个效果立即发生,还持续了20-30分钟。 事实上,用玻璃电极代替骨架按压,也发生了同样的事情。 蔗糖引起的渗透压增大( 20 mM )也发生了同样的现象,今后增大的压力为0.5 kg/cm2,和肌肉的张力几乎相同。 也就是说,在突触内,以和肌肉一样的力按压轴突,轴突感知其压力并进行功能性响应。 顺便说一下,这种压力感觉没有使用位于末梢轴突末端的压力承受机构。 可以认为,正是由于这种力量,轴突方面快速读取的学习变化,用于更短期的记忆保存(图3 )。 另一方面,虽然增大本身用于长期记忆的保持,但是此时的谷氨酸受体的聚集并不是很快。 短期和长期的记忆保留分为突触后和前,大脑似乎会保存在不同的记忆介质中。 有关这些的详细情况有待于今后的研究。 总之,神经细胞不仅通过神经突触进行化学传递,还通过力学传递,产生了力量传递两个存储介质之间信息的描绘(图3 )。

 通常,大脑被认为是电化学机器(图1bd )。 这样的话,由硅制成的人工智能也可能和大脑一样,但是大脑神经细胞在重要的学习记忆处通过细胞运动进行力学连接,模仿其复杂精巧的动力学,是硅做不到的。 我们身体的运动能力和擅长的技能因人而异,这一点由大脑的突触决定着大脑的功能吧。 在神经突触中,聚集了很多与精神疾病相关的分子,它们大部分与突触的运动性有关。 例如,人类大脑中已知精神分裂症中突触前部蛋白质减少,但该分子与突触囊泡的聚集有关,很可能与轴突压迫效果有关。 这次,首次测量了突触的力量,明白了其对前部末端的效果。 通过这个发现,应该会加深很多功能分子是如何改变突触运动及其接受,并与精神过程相关的理解吧。 今后,进一步明确该突触的按压机制的分子基础,另一方面,寻找介入其的药物和其他方法变得重要。

5 .发表杂志: 杂志名称:Nature(在线版: 11月24日)

 论文标题:Mechanical actions of dendritic-spine enlargement on presynaptic

exocytosis

作者: Hasan Ucar,Satoshi Watanabe,Jun Noguchi,Yusuke Iino,Sho Yagishita,Noriko Takahashi,Haruo Kasai* DOI编号: 10.1038/s41586-021-04125-7 摘要: https://www.nature.com/articles/s 41586-021-04125-7

6 .咨询处: <有关研究的事情> 东京大学研究生院医学系研究科附属疾病生命工学中心结构生理学部门教授河西春郎 E-mail:hkasai[at]m.u-tokyo.ac.jp <宣传相关的事情> 东京大学医学部医学系研究科总务小组

E-mailishomu[at]m.u-tokyo.ac.jp

东京大学国际高等研究所神经智能国际研究机构宣传负责人

E-mailpress[at]ircn.jp

<关于JST事业的事情> 保田睦子 科技振兴机构战略研究推进部生命创新小组 〒102-0076东京都千代田区五番町7 k’s五番町 03-3512-3524传真: 03-3222-2066 电子邮件: crest jst.go.jp < JST新闻负责人> 科学技术振兴机构宣传科 邮编〒102-8666东京都千代田区四番町5番地3 03-5214-8404传真: 03-5214-8432

E-mailjstkoho[at]jst.go.jp

7 .用语解说:7 .用语解说: (注1 )树突:许多( 90% )的兴奋性(谷氨酸作用性)突触可以棘在树突的1 μ以下。 它有头结构和颈结构,都是多态性的。 21世纪,我们的双光子锚定法发现了这个头部结构和功能的相关性。(注2 )双光子定位法:通过用透镜聚焦超短脉冲激光,达到强光的强度后,只在焦点发生点状激励。通过将其应用于凯氏谷氨酸,可以在3维的1点上释放谷氨酸,从而可以刺激单一的

 (注3 ) CsChrimsonR :一种可导入基因的光受体蛋白质,在红色光刺激下,离子通道打开,细胞内变为更正的电位,从而诱发活动电位。 (注4 ) iGluSnFR :由接受谷氨酸的细菌蛋白质制成的、能够接受谷氨酸发出更强荧光的基因导入的蛋白质。(注5 ) SNARE蛋白质:一个囊泡的蛋白质( VAMP2)和细胞膜上的两个蛋白质( syntaxin1,SNAP25 ),它们通过缔合,使2个膜接近,使囊泡保持与细胞膜接近的状态,通过刺激引起快速的开口释放(递质释放) (图2右下)。

 (注6 ) islim :从将snare分子的缔合状态融合在syntaxin1中的蓝色荧光分子中,利用分子间的FRET测定了融合在VAMP2中的吸收蓝光的荧光分子的可导入基因的荧光蛋白质。

8 .附件:

图1 (A )神经细胞连接形成电路,这个接缝称为突触。 在普通突触中,轴突中传递的活动电位转变为树突的电位变化。 ( b )突触也通过电结合进行传递,( c )大多进行释放化学传递物质(谷氨酸、GABA、多巴胺)等的化学传递。 ( d )在这次的研究中,我们发现了不适合这两种想法的第三种传递模式——力学传递。 大脑的许多兴奋性突触都是由这个被称为神经节的树突棘形成的。 通过学习输入进行增大运动,但发现了该运动传到轴突末梢,引起功能变化的机构。

图2生理上增大后( STDP ),在其连接的轴突末端促进开口释放诱导蛋白质( SNAREs )的预先缔合( iSLIM ),谷氨酸释放增大( CsChrimsonR,iGluSnFR )。

图3增大是突触末端感知到的,引起递质的释放增大。 此时,有趣的是,存储介质不同,例如长期存储在中,而更短期的存储在轴突中。为了读取短期的功能,力学上的相互作用可能很快。 可以认为,大多数精神疾病相关分子在突触中聚集,正是这种运动性和压力接受的基础。 

  (以上)


 

“大脑用力量镌刻记忆 ——通过突触的力量和压力感觉发现新的传递方式——”

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