Chiński zespół badawczy po raz pierwszy zarejestrował milisekundowy moment kontaktu między neuronami, który do tej pory pozostawał jedynie teorią. To niezwykłe osiągnięcie wymagało opracowania specjalistycznej technologii, nad którą pracowano przez piętnaście lat. Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin oraz Instytutów Zaawansowanych Technologii w Shenzhen potrzebowali tyle czasu, by stworzyć narzędzie zdolne uchwycić proces trwający zaledwie ułamki sekundy i zachodzący w nanometrowej skali.
Jak neurony kontaktują się ze sobą?
Dotychczas naukowcy spierali się między dwoma konkurencyjnymi modelami. Jeden zakładał pełne połączenie pęcherzyków synaptycznych z błoną presynaptyczną, podczas gdy drugi sugerował jedynie krótkotrwały kontakt. Problem polegał na tym, że obserwacja tego zjawiska przekraczała możliwości tradycyjnych metod badawczych – to jak próba sfotografowania pocisku w locie przez zwykły mikroskop.
Czytaj też: Sukces w neuroinżynierii! Sztuczne neurony po raz pierwszy komunikują się z żywymi komórkami
Przełom nastąpił dzięki niezwykle precyzyjnej platformie krioelektronowej, która umożliwiła zamrożenie komunikacji neuronalnej w konkretnych momentach. Badacze przeprowadzili eksperymenty na synapsach hipokampa szczurów, rejestrując ponad tysiąc tomogramów w różnych odstępach czasowych po aktywacji. To pozwoliło im stworzyć coś w rodzaju filmu pokazującego komunikację neuronalną w czasie rzeczywistym.
Okazało się, że żadna z wcześniejszych teorii nie miała całkowitej racji. Zaobserwowany proces okazał się bardziej złożony niż zakładano i przebiegał w trzech fazach, które naukowcy nazwali pocałunkiem, skurczem i ucieczką. W pierwszej fazie, trwającej zaledwie cztery milisekundy, pęcherzyk tworzy mikroskopijny por o szerokości około czterech nanometrów. Następnie następuje faza skurczu, podczas której pęcherzyk zmniejsza swoją powierzchnię o połowę – ta część procesu była całkowitym zaskoczeniem dla badaczy.
Po ok. 70 ms większość pęcherzyków odłącza się od błony i podlega recyklingowi, choć część z nich faktycznie ulega pełnemu połączeniu z błoną presynaptyczną. To odkrycie potwierdza, że oba wcześniejsze modele zawierały elementy prawdy, ale żaden nie oddawał pełnej złożoności procesu.
Nowa technologia, znana jako czasowo-rozdzielcza komórkowa krioelektronowa tomografia, otwiera możliwości badania wielu innych szybkich procesów biologicznych. Może być wykorzystana do analizy mechanizmów inwazji wirusów czy procesów wydzielania komórkowego. Dla neurobiologii ma to fundamentalne znaczenie – lepsze zrozumienie komunikacji neuronalnej może przyczynić się do rozwoju terapii chorób, takich jak alzheimer czy parkinson.
Wyniki badań opublikowane w Science pokazują również rosnące możliwości chińskiej nauki w dziedzinie zaawansowanych badań biologicznych. Projekt wymagał nie tylko znaczących nakładów finansowych, ale też wieloletniej współpracy między różnymi instytutami badawczymi.
Dla przeciętnego człowieka odkrycie może wydawać się odległe od codziennych spraw, ale to właśnie te milisekundowe kontakty między neuronami umożliwiają nam myślenie, odczuwanie emocji i tworzenie wspomnień. Teraz, gdy po raz pierwszy udało się je zaobserwować, możemy lepiej zrozumieć mechanizmy stojące za funkcjonowaniem ludzkiego umysłu. Choć do pełnego zrozumienia wszystkich tajemnic mózgu wciąż daleko, każde takie odkrycie przybliża nas do rozwikłania jego złożoności.