in een studie die deze week is gepubliceerd in het Journal of Neuroscience, hebben onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) en de Universiteit van Nagoya onthuld hoe een algemeen gebruikt narcosemiddel genaamd isofluraan de transmissie van elektrische signalen tussen neuronen verzwakt, op kruispunten genaamd synapsen.”Belangrijk was dat isofluraan de overdracht van alle elektrische signalen niet in gelijke mate blokkeerde; het verdovingsmiddel had het sterkste effect op impulsen met een hogere frequentie die nodig zijn voor functies zoals cognitie of beweging, terwijl het een minimaal effect had op impulsen met een lage frequentie die levensondersteunende functies, zoals ademhaling, controleren”, zei Professor Tomoyuki Takahashi, die de cel-en moleculaire synaptische functie (CMSF) bij OIST leidt. “Dit verklaart hoe isofluraan anesthesie kan veroorzaken, door bij voorkeur de hoogfrequente signalen te blokkeren.”
bij synapsen worden signalen verzonden door presynaptische neuronen en ontvangen door postsynaptische neuronen. Bij de meeste synapsen vindt communicatie plaats via chemische boodschappers — of neurotransmitters.
wanneer een elektrische zenuwimpuls, of actiepotentiaal, aan het einde van het presynaptische neuron arriveert, zorgt dit ervoor dat synaptische blaasjes — kleine membraan ‘pakjes’ die neurotransmitters bevatten — fuseren met het terminale membraan, waardoor de neurotransmitters vrijkomen in de kloof tussen neuronen. Wanneer voldoende neurotransmitters worden waargenomen door het postsynaptische neuron, veroorzaakt dit een nieuw actiepotentieel in het postsynaptische neuron.
de CMSF-eenheid gebruikte rattenhersenschijfjes om een gigantische synaps te bestuderen die de kelk van Held wordt genoemd. De wetenschappers induceerden elektrische signalen bij verschillende frequenties en detecteerden vervolgens het actiepotentieel dat in het postsynaptische neuron wordt gegenereerd. Ze ontdekten dat naarmate ze de frequentie van elektrische signalen verhoogden, isofluraan een sterker effect had op het blokkeren van transmissie.
om de bevindingen van zijn eenheid te bevestigen, nam Takahashi contact op met Dr.Takayuki Yamashita, een onderzoeker van de Universiteit van Nagoya die experimenten uitvoerde met synapsen, cortico-corticale synapsen genoemd, in de hersenen van levende muizen.Yamashita ontdekte dat het verdovingsmiddel de cortico-corticale synapsen op dezelfde manier beïnvloedde als de kelk van Held. Toen de muizen werden verdoofd gebruikend isofluraan, werd de hoge Frequentietransmissie sterk verminderd terwijl er minder effect op lage Frequentietransmissie was.”Deze experimenten bevestigden beide hoe isofluraan werkt als een narcose,” zei Takahashi. “Maar we wilden begrijpen welke onderliggende mechanismen isofluraan richt op het verzwakken van synapsen op deze frequentieafhankelijke manier.”
het opsporen van de doelwitten
bij nader onderzoek ontdekten de onderzoekers dat isofluraan de hoeveelheid vrijkomende neurotransmitter verminderde, zowel door de kans op het vrijkomen van de blaasjes te verminderen als door het maximale aantal blaasjes te verminderen dat tegelijk kan vrijkomen.
de wetenschappers onderzochten daarom of isofluraan invloed had op calciumionkanalen, die een sleutelrol spelen bij het vrijkomen van blaasjes. Wanneer actiepotentialen bij de presynaptische terminal aankomen, openen calciumionkanalen in het membraan, waardoor calciumionen naar binnen kunnen stromen. De synaptische blaasjes ontdekken dan deze verhoging van calcium, en zij smelten met het membraan. De onderzoekers vonden dat isofluraan de instroom van calcium verlaagde door calciumionenkanalen te blokkeren, wat op zijn beurt de kans op de afgifte van blaasjes verminderde.”Echter, dit mechanisme alleen kon niet verklaren hoe isofluraan het aantal vrijkomende blaasjes vermindert, of de frequentieafhankelijke aard van het effect van isofluraan,” zei Takahashi.
de wetenschappers veronderstelden dat isofluraan het aantal vrijkomende blaasjes zou kunnen verminderen door ofwel het proces van het vrijkomen van blaasjes door exocytose direct te blokkeren, ofwel indirect de recycling van blaasjes te blokkeren, waarbij blaasjes door endocytose worden gereformeerd en vervolgens worden aangevuld met neurotransmitter, klaar om opnieuw te worden vrijgegeven.Door de veranderingen in het oppervlak van het presynaptische terminale membraan, dat door exocytose toeneemt en door endocytose afneemt, elektrisch te meten, concludeerden de wetenschappers dat isofluraan alleen de afgifte van de blaasjes door exocytose beïnvloedde, waarschijnlijk door het blokkeren van exocytaire machines.”Cruciaal is dat we vonden dat dit blok alleen een belangrijk effect had op hoogfrequente signalen, wat suggereert dat dit blok op exocytaire machines de sleutel is tot het verdovingseffect van isofluraan,” zei Takahashi.
de wetenschappers stelden voor dat hoogfrequente actiepotentialen zo ‘ n massale instroom van calcium in de presynaptische terminal veroorzaken dat isofluraan de calciumconcentratie niet effectief kan verlagen. De synaptische sterkte wordt daarom voornamelijk verzwakt door het directe blok van exocytaire machines in plaats van een verminderde kans op het vrijkomen van blaasjes.
ondertussen veroorzaken laagfrequente impulsen minder exocytose, waardoor het blokkeren van isofluraan op exocytaire machines weinig effect heeft. Hoewel isofluraan effectief de instroom van calcium in de presynaptische terminal vermindert, is het verlagen van de kans op afgifte van blaasjes op zichzelf niet krachtig genoeg om postsynaptische actiepotentialen aan de kelk van vastgehouden te blokkeren en heeft het slechts een gering effect in cortico-corticale synapsen. Laagfrequente transmissie wordt daarom gehandhaafd.
over het geheel genomen leveren de reeks experimenten overtuigend bewijs voor hoe isofluraan synapsen verzwakt om anesthesie te induceren.”Nu we technieken hebben vastgesteld voor het manipuleren en ontcijferen van presynaptische mechanismen, zijn we klaar om deze technieken toe te passen op hardere vragen, zoals presynaptische mechanismen die ten grondslag liggen aan symptomen van neurodegeneratieve ziekten,” zei Takahashi. “Dat wordt onze volgende uitdaging.”