a Journal of Neuroscience című szakfolyóiratban megjelent tanulmányban az okinawai tudományos és Technológiai Intézet (OIST) és a Nagoya Egyetem kutatói felfedték, hogy az izoflurán nevű általánosan használt általános érzéstelenítő hogyan gyengíti az elektromos jelek továbbítását a neuronok között, a szinapszisoknak nevezett csomópontokban.
“fontos, hogy megállapítottuk, hogy az izoflurán nem blokkolja egyformán az összes elektromos jel továbbítását; az érzéstelenítő volt a legerősebb hatással a magasabb frekvenciájú impulzusokra, amelyek olyan funkciókhoz szükségesek, mint a megismerés vagy a mozgás, míg minimális hatással volt az alacsony frekvenciájú impulzusokra, amelyek az életfenntartó funkciókat, például a légzést szabályozzák”-mondta Tomoyuki Takahashi professzor, aki az Oist sejtes és molekuláris szinaptikus funkció (CMSF) egységét vezeti. “Ez megmagyarázza, hogy az izoflurán hogyan képes érzéstelenítést okozni, elsősorban a nagyfrekvenciás jelek blokkolásával.”
a szinapszisokban a jeleket a preszinaptikus neuronok küldik és a posztszinaptikus neuronok fogadják. A legtöbb szinapszisban a kommunikáció kémiai hírvivőkön vagy neurotranszmittereken keresztül történik.
amikor egy elektromos idegimpulzus vagy akciós potenciál érkezik a preszinaptikus idegsejt végére, ez szinaptikus vezikulákat okoz – apró membráncsomagok, amelyek neurotranszmittereket tartalmaznak-összeolvadnak a terminális membránnal, felszabadítva a neurotranszmittereket a neuronok közötti résbe. Ha a posztszinaptikus neuron elegendő neurotranszmittert érzékel, ez új akciós potenciált vált ki a posztszinaptikus neuronban.
a CMSF egység patkány agyszeleteket használt egy óriási szinapszis tanulmányozására, amelyet Held csészéjének hívtak. A tudósok különböző frekvenciákon elektromos jeleket indukáltak, majd észlelték a posztszinaptikus neuronban keletkező akciós potenciált. Megállapították, hogy az elektromos jelek frekvenciájának növelésével az izoflurán erősebb hatással volt az átvitel blokkolására.
az egység megállapításainak alátámasztására Takahashi megkereste Dr. Takayuki Yamashitát, a Nagoya Egyetem kutatóját, aki kísérleteket végzett az élő egerek agyában a cortico-corticalis szinapszisoknak nevezett szinapszisokkal.
Yamashita megállapította, hogy az érzéstelenítő a cortico-corticalis szinapszisokat hasonló módon érintette, mint a Held csésze. Amikor az egereket izoflurán alkalmazásával érzéstelenítettük, a nagyfrekvenciás átvitel erősen csökkent, míg az alacsony frekvenciájú átvitelre kevésbé volt hatással.
“ezek a kísérletek mind megerősítették, hogy az izoflurán általános érzéstelenítőként működik” – mondta Takahashi. “De meg akartuk érteni, hogy az izoflurán milyen mögöttes mechanizmusokat céloz meg a szinapszisok gyengítésére ebben a frekvenciafüggő módon.”
a célok nyomon követése
további kutatásokkal a kutatók azt találták, hogy az izoflurán csökkentette a felszabaduló neurotranszmitter mennyiségét, mind a vezikulák felszabadulásának valószínűségének csökkentésével, mind az egyszerre felszabaduló vezikulák maximális számának csökkentésével.
a tudósok ezért megvizsgálták, hogy az izoflurán befolyásolja-e a kalciumion-csatornákat, amelyek kulcsfontosságúak a vezikulum felszabadulásának folyamatában. Amikor az akciós potenciálok megérkeznek a preszinaptikus terminálhoz, a membrán kalciumion-csatornái kinyílnak, lehetővé téve a kalciumionok beáramlását. A szinaptikus vezikulák ezután észlelik ezt a kalciumnövekedést, és összeolvadnak a membránnal. A kutatók azt találták, hogy az izoflurán csökkentette a kalcium beáramlását a kalciumion-csatornák blokkolásával, ami viszont csökkentette a vezikulum felszabadulásának valószínűségét.
“ez a mechanizmus azonban önmagában nem tudta megmagyarázni, hogy az izoflurán hogyan csökkenti a felszabaduló vezikulák számát vagy az izoflurán hatásának frekvenciafüggő jellegét”-mondta Takahashi.
a tudósok feltételezték, hogy az izoflurán csökkentheti a felszabaduló vezikulák számát azáltal, hogy vagy közvetlenül blokkolja a vezikulák felszabadulásának folyamatát exocitózissal, vagy közvetett módon blokkolja a vezikulák újrahasznosítását, ahol a vezikulákat endocitózissal reformálják, majd újratöltik neurotranszmitterrel, készen áll az újbóli felszabadulásra.
a preszinaptikus terminális membrán felületének változásainak elektromos mérésével, amelyet az exocitózis növeli, és az endocitózis csökkenti, a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az izoflurán csak az exocitózis által okozott vezikulum felszabadulását befolyásolja, valószínűleg az exocita gépek blokkolásával.
“Alapvetően azt találtuk, hogy ez a blokk csak a nagyfrekvenciás jelekre volt jelentős hatással, ami arra utal, hogy ez az exocita gépeken lévő blokk az izoflurán érzéstelenítő hatásának kulcsa” – mondta Takahashi.
a tudósok azt javasolták, hogy a nagyfrekvenciás akciós potenciálok olyan hatalmas kalcium beáramlást váltanak ki a preszinaptikus terminálisba, hogy az izoflurán nem képes hatékonyan csökkenteni a kalciumkoncentrációt. A szinaptikus erőt ezért elsősorban az exocita gépek közvetlen blokkja gyengíti, nem pedig a vezikulum felszabadulásának csökkentett valószínűsége.
eközben az alacsony frekvenciájú impulzusok kevesebb exocitózist váltanak ki, így az izoflurán blokkja az exocita gépeken kevés hatással van. Bár az izoflurán hatékonyan csökkenti a kalcium bejutását a preszinaptikus terminálisba, a vezikulum felszabadulásának valószínűségének csökkentése önmagában nem elég erős ahhoz, hogy blokkolja a posztszinaptikus akciós potenciált a Hold csészéjében, és csak csekély hatása van a kortiko-kortikális szinapszisokban. Az alacsony frekvenciájú átvitel ezért fennmarad.
összességében a kísérletsorozat meggyőző bizonyítékot szolgáltat arra, hogy az izoflurán hogyan gyengíti a szinapszisokat érzéstelenítés kiváltására.
” most, hogy kidolgoztuk a preszinaptikus mechanizmusok manipulálásának és megfejtésének technikáit, készen állunk arra, hogy ezeket a technikákat keményebb kérdésekre is alkalmazzuk, mint például a neurodegeneratív betegségek tüneteinek alapjául szolgáló preszinaptikus mechanizmusokat” – mondta Takahashi. “Ez lesz a következő kihívásunk.”