nu, i en undersøgelse, der blev offentliggjort i denne uge i Journal of Neuroscience, har forskere fra Institut for videnskab og teknologi Graduate University (Oist) og Nagoya University afsløret, hvordan en almindeligt anvendt generel anæstesi kaldet isofluran svækker transmissionen af elektriske signaler mellem neuroner ved kryds kaldet synapser.
” det er vigtigt, at vi fandt ud af, at isofluran ikke blokerede transmissionen af alle elektriske signaler ens; bedøvelsesmidlet havde den stærkeste effekt på højere frekvensimpulser, der kræves til funktioner som kognition eller bevægelse, mens det havde minimal effekt på lavfrekvente impulser, der styrer livsstøttende funktioner, såsom vejrtrækning,” sagde Professor Tomoyuki Takahashi, der leder den cellulære og molekylære synaptiske funktion (CMSF) enhed ved oist. “Dette forklarer, hvordan isofluran er i stand til at forårsage anæstesi ved fortrinsvis at blokere højfrekvenssignalerne.”
ved synapser sendes signaler af presynaptiske neuroner og modtages af postsynaptiske neuroner. Ved de fleste synapser sker kommunikation via kemiske budbringere-eller neurotransmittere.
når en elektrisk nerveimpuls eller handlingspotentiale ankommer til slutningen af den presynaptiske neuron, forårsager dette synaptiske vesikler-små membranpakker’, der indeholder neurotransmittere-at smelte sammen med den terminale membran og frigive neurotransmitterne i kløften mellem neuroner. Når der registreres nok neurotransmittere af den postsynaptiske neuron, udløser dette et nyt handlingspotentiale i den postsynaptiske neuron.
CMSF-enheden brugte rottehjerneskiver til at studere en kæmpe synaps kaldet Bægeret af Held. Forskerne inducerede elektriske signaler ved forskellige frekvenser og detekterede derefter handlingspotentialerne genereret i den postsynaptiske neuron. De fandt ud af, at da de øgede frekvensen af elektriske signaler, havde isofluran en stærkere effekt på blokering af transmission.
for at bekræfte sin enheds resultater nåede Takahashi ud til Dr. Takayuki Yamashita, en forsker fra Nagoya University, der udførte eksperimenter på synapser, kaldet cortico-cortical synapser, i hjernen hos levende mus.
Yamashita fandt ud af, at bedøvelsesmidlet påvirkede cortico-kortikale synapser på samme måde som Bægeret af holdt. Når musene blev bedøvet ved hjælp af isofluran, blev højfrekvent transmission stærkt reduceret, mens der var mindre effekt på lavfrekvent transmission.
“disse eksperimenter bekræftede begge, hvordan isofluran fungerer som en generel bedøvelse,” sagde Takahashi. “Men vi ønskede at forstå, hvilke underliggende mekanismer isofluran sigter mod at svække synapser på denne frekvensafhængige måde.”
sporing af målene
med yderligere forskning fandt forskerne, at isofluran reducerede mængden af frigivet neurotransmitter ved både at sænke sandsynligheden for, at vesiklerne frigives, og ved at reducere det maksimale antal vesikler, der kan frigives ad gangen.
forskerne undersøgte derfor, om isofluran påvirkede calciumionkanaler, som er nøglen i processen med frigivelse af vesikler. Når handlingspotentialer ankommer til den presynaptiske terminal, åbnes calciumionkanaler i membranen, hvilket tillader calciumioner at strømme ind. Synaptiske vesikler registrerer derefter denne stigning i calcium, og de smelter sammen med membranen. Forskerne fandt, at isofluran sænkede calciumtilstrømningen ved at blokere calciumionkanaler, hvilket igen reducerede sandsynligheden for frigivelse af vesikler.
“denne mekanisme alene kunne imidlertid ikke forklare, hvordan isofluran reducerer antallet af frigivelige vesikler eller den frekvensafhængige karakter af isoflurans virkning,” sagde Takahashi.
forskerne antog, at isofluran kunne reducere antallet af frigivelige vesikler ved enten direkte at blokere processen med frigivelse af vesikler ved eksocytose eller ved indirekte at blokere genanvendelse af vesikler, hvor vesikler reformeres af endocytose og derefter genopfyldes med neurotransmitter, klar til at blive frigivet igen.
ved elektrisk måling af ændringerne i overfladearealet af den presynaptiske terminale membran, som øges ved eksocytose og formindskes ved endocytose, konkluderede forskerne, at isofluran kun påvirkede vesikelfrigivelse ved eksocytose, sandsynligvis ved at blokere eksocytisk maskineri.
“afgørende fandt vi, at denne blok kun havde en stor effekt på højfrekvente signaler, hvilket tyder på, at denne blok på eksocytiske maskiner er nøglen til isoflurans bedøvende virkning,” sagde Takahashi.
forskerne foreslog, at højfrekvente handlingspotentialer udløser en så massiv tilstrømning af calcium i den presynaptiske terminal, at isofluran ikke effektivt kan reducere calciumkoncentrationen. Synaptisk styrke svækkes derfor overvejende af den direkte blok af eksocytisk maskineri snarere end en reduceret sandsynlighed for frigivelse af vesikler.
i mellemtiden udløser lavfrekvente impulser mindre eksocytose, så isoflurans blok på eksocytiske maskiner har ringe effekt. Selvom isofluran effektivt reducerer indtrængen af calcium i den presynaptiske terminal, er sænkning af sandsynligheden for frigivelse af vesikler i sig selv ikke kraftig nok til at blokere postsynaptiske handlingspotentialer ved Bægeret af holdt og har kun en mindre effekt i cortico-kortikale synapser. Lavfrekvent transmission opretholdes derfor.
samlet set giver serien af eksperimenter overbevisende bevis for, hvordan isofluran svækker synapser for at inducere anæstesi.
“nu hvor vi har etableret teknikker til at manipulere og dechiffrere presynaptiske mekanismer, er vi klar til at anvende disse teknikker på hårdere spørgsmål, såsom presynaptiske mekanismer, der ligger til grund for symptomer på neurodegenerative sygdomme,” sagde Takahashi. “Det bliver vores næste udfordring.”