nyt tällä viikolla Journal of Neuroscience-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Okinawan Tiede-ja teknologiainstituutin (Oist) ja Nagoyan yliopiston tutkijat ovat paljastaneet, miten yleisesti käytetty yleisanestesiassa käytettävä isofluraani heikentää sähköisten signaalien välittämistä neuronien välillä synapseiksi kutsutuissa risteyksissä.
”tärkeää on, että havaitsimme, että isofluraani ei estä kaikkien sähköisten signaalien lähettämistä tasapuolisesti; anestesia-aineella oli voimakkain vaikutus korkeampien taajuuksien impulsseihin, joita tarvitaan esimerkiksi kognitioon tai liikkumiseen, kun taas sillä oli minimaalinen vaikutus matalataajuisiin impulsseihin, jotka ohjaavat elämää tukevia toimintoja, kuten hengitystä”, sanoi professori Tomoyuki Takahashi, joka johtaa Cellular and Molecular Synaptic Function (CMSF) – yksikköä oist: ssä. ”Tämä selittää, miten isofluraani pystyy aiheuttamaan anestesian estämällä ensisijaisesti suurtaajuussignaalit.”
synapseissa signaalit lähettävät presynaptiset neuronit ja vastaanottavat postsynaptiset neuronit. Useimmissa synapseissa kommunikaatio tapahtuu kemiallisten sanansaattajien eli välittäjäaineiden kautta.
kun presynaptisen hermosolun päähän saapuu sähköinen hermoimpulssi eli toimintapotentiaali, tämä aiheuttaa synaptisten rakkuloiden — pienten kalvopakettien, jotka sisältävät välittäjäaineita — sulautumisen terminaalikalvoon vapauttaen välittäjäaineet hermosolujen väliseen aukkoon. Kun postsynaptinen neuroni aistii riittävästi välittäjäaineita, tämä laukaisee uuden toimintapotentiaalin postsynaptisessa neuronissa.
CMSF-yksikkö käytti rotan aivosiivuja tutkiessaan valtavaa Synapsea, jota kutsutaan Heldin verhiöksi. Tutkijat indusoivat sähköisiä signaaleja eri taajuuksilla ja havaitsivat sen jälkeen postsynaptisessa hermosolussa syntyvät toimintapotentiaalit. He havaitsivat, että kun he lisäsivät sähköisten signaalien taajuutta, isofluraanilla oli voimakkaampi vaikutus lähetyksen estämiseen.
vahvistaakseen yksikkönsä havainnot Takahashi otti yhteyttä Tri Takayuki Yamashitaan, Nagoyan yliopiston tutkijaan, joka teki kokeita synapseilla eli kortiokuorisilla synapseilla elävien hiirien aivoissa.
Yamashita havaitsi, että nukutusaine vaikutti kortiokuorisiin synapseihin samalla tavalla kuin Heldin verhiö. Kun hiiret nukutettiin isofluraanin avulla, suurtaajuuslähetys väheni voimakkaasti, kun taas matalataajuisiin lähetyksiin vaikutus oli vähäisempi.
”nämä kokeet molemmat vahvistivat, miten isofluraani toimii yleisanesteettinä”, Takahashi sanoi. ”Mutta halusimme ymmärtää, mitä taustalla olevia mekanismeja isofluraani pyrkii heikentämään synapseja tällä taajuusriippuvaisella tavalla.”
kohteiden jäljittäminen
jatkotutkimusten myötä tutkijat havaitsivat, että isofluraani vähensi vapautuvan välittäjäaineen määrää sekä pienentämällä vesikkelien vapautumisen todennäköisyyttä että vähentämällä kerrallaan vapautuvien vesikkelien maksimimäärää.
tutkijat selvittivätkin, vaikuttiko isofluraani kalsiumionikanaviin, jotka ovat avainasemassa vesikkelin vapautumisprosessissa. Kun aktiopotentiaalit saapuvat presynaptiseen terminaaliin, kalvossa olevat kalsiumionikanavat avautuvat, jolloin kalsiumionit tulvivat sisään. Synaptiset rakkulat havaitsevat tämän kalsiumin nousun, ja ne sulautuvat kalvoon. Tutkijat havaitsivat, että isofluraani vähensi kalsiumin virtaa tukkimalla kalsiumionikanavia, mikä puolestaan vähensi vesikkelin vapautumisen todennäköisyyttä.
”tämä mekanismi ei kuitenkaan yksin pystynyt selittämään, miten isofluraani vähentää vapautuvien vesikkelien määrää tai isofluraanin vaikutuksen taajuusriippuvuutta”, Takahashi sanoi.
tutkijat olettivat, että isofluraani voisi vähentää vapautuvien vesikkelien määrää joko estämällä suoraan vesikkelin vapautumisprosessin eksosytoosilla tai estämällä epäsuorasti vesikkelin kierrätyksen, jossa vesikkelit uudistetaan endosytoosilla ja täytetään sitten uudelleen välittäjäaineella, joka on valmis vapautumaan uudelleen.
mittaamalla sähköisesti presynaptisen terminaalikalvon pinta-alan muutoksia, jotka lisääntyvät eksosytoosilla ja vähenevät endosytoosilla, tutkijat päättelivät, että isofluraani vaikutti vesikkelin vapautumiseen vain eksosytoosilla, todennäköisesti estämällä eksosyyttikoneistoa.
”ratkaisevaa oli, että tällä lohkolla oli vain suuri vaikutus suurtaajuussignaaleihin, mikä viittaa siihen, että tämä lohko eksosyyttikoneissa on avain isofluraanin nukuttavaan vaikutukseen”, Takahashi sanoi.
tutkijat ehdottivat, että korkean taajuuden toimintamahdollisuudet laukaisevat niin suuren kalsiumin virtaamisen presynaptiseen terminaaliin, että isofluraani ei pysty tehokkaasti pienentämään kalsiumpitoisuutta. Synaptista lujuutta heikentää siis lähinnä eksosyyttikoneiston suora lohko eikä suinkaan vesikkelin vapautumisen pienentynyt todennäköisyys.
sillä välin matalataajuiset impulssit laukaisevat vähemmän eksosytoosia, joten isofluraanin estolla eksosyyttikoneistossa on vain vähän vaikutusta. Vaikka isofluraani vähentää tehokkaasti kalsiumin pääsyä presynaptiseen terminaaliin, vesikkelin vapautumisen todennäköisyyden alentaminen ei itsessään ole tarpeeksi voimakas estämään postsynaptisia toimintapotentiaaleja Heldin verhiössä, ja sillä on vain vähäinen vaikutus kortiokuoren synapseihin. Matalataajuista lähetystä siis ylläpidetään.
kaiken kaikkiaan koesarja antaa vakuuttavaa näyttöä siitä, miten isofluraani heikentää synapseja anestesian aikaansaamiseksi.
”nyt kun meillä on vakiintuneet tekniikat presynaptisten mekanismien manipuloimiseksi ja tulkitsemiseksi, olemme valmiita soveltamaan näitä tekniikoita vaikeampiin kysymyksiin, kuten neurodegeneratiivisten sairauksien oireiden taustalla oleviin presynaptisiin mekanismeihin”, Takahashi sanoi. ”Se on seuraava haasteemme.”