Neuronalne obrazowanie wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym

Neurony, w porównaniu do pozostałych komórek ciała o kształcie zbliżonym do kuli, charakteryzują się unikalną morfologią. Poza ciałem komórki dysponują one wyspecjalizowanymi wypustkami, służącymi do wysyłania i odbierania informacji. Z jednego regionu ciała komórki rozgałęzia się drzewo dendrytyczne, a z drugiego wychodzi pojedynczy, długi akson.

Komórki są małe, a dendryty są jeszcze mniejsze. Dendryty z kolei dysponują małymi, guzkowatymi wypustkami o grzybkowatym kształcie — kolcami dendrytycznymi. To w tym miejscu synapsy, czy też połączenia neuronalne pełnią swoją funkcję. W tym miejscu również genezę ma wiele chorób neurologicznych.

Z powodu bardzo małych rozmiarów i szybko zachodzących zmian badanie ich in situ jest bardzo trudne. Aby opracować i zastosować techniki umożliwiające takie badania, naukowcy powołali do życia finansowany przez UE projekt "Nanoscale photoactivation and imaging of synaptic spine dynamics" (DYNASPINE). Ich głównym celem było ustalenie korelacji między budową i działaniem na poziomie pojedynczej synapsy w czasie rzeczywistym.

Sygnalizacja neuronalna opiera się na złożonych oddziaływaniach komponentów chemicznych i elektrycznych. Napięcia w błonie zmieniają się, pory błony otwierają się i zamykają, czemu towarzyszy napływ i odpływ jonów oraz cząsteczek. Nawet liczba, wielkość i kształt kolców wykazują plastyczność (zdolność do zmiany). Zmiany takie mogą towarzyszyć zwiększonej sile synaptycznej, trwającej przez dłuższy okres (długotrwałe wzmocnienie synaptyczne), a także mogą być wyzwalane przez powtarzaną stymulację. Zjawisko to jest prawdopodobnie związane z procesem uczenia się i pamięcią.

Naukowcy zastosowali połączenie zapisów elektrofizjologicznych i jednej z najnowocześniejszych i najdokładniejszych technik mikroskopowych zwanej mikroskopią wygaszania emisją wymuszoną. Członkowie zespołu uwolnili uwalniany pod wpływem światła glutaminian — neuroprzekaźnik pobudzający — by stymulować receptory pojedynczej synapsy.

Eksperymenty ujawniły plastyczność kolca podczas wzmocnienia, w szczególności pod względem skracania i poszerzania się szyjki kolca. Wykazano również, że zmiany strukturalne miały nieoczekiwanie odmienny wpływ na sygnalizację chemiczną i elektryczną, co wskazuje na istnienie nowej płaszczyzny złożoności funkcjonowania kolców dendrytycznych.

Prace zespołu DYNASPINE umożliwiły nowe spojrzenie na funkcjonowanie kolców dendrytycznych. Dalsze badania w tym interesującym kierunku spotkają się z dużym zainteresowaniem społeczności neuronaukowej.