teraz, w badaniu opublikowanym w tym tygodniu w Journal of Neuroscience, naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) i Nagoya University ujawnili, jak powszechnie stosowany środek znieczulający o nazwie izofluran osłabia transmisję sygnałów elektrycznych między neuronami, w węzłach zwanych synapsami.
„co ważne, odkryliśmy, że izofluran nie blokuje jednakowo transmisji wszystkich sygnałów elektrycznych; środek znieczulający miał najsilniejszy wpływ na impulsy o wyższej częstotliwości, które są wymagane do funkcji takich jak poznanie lub ruch, podczas gdy miał minimalny wpływ na impulsy o niskiej częstotliwości, które kontrolują funkcje podtrzymujące życie, takie jak oddychanie”, powiedział profesor Tomoyuki Takahashi, który prowadzi jednostkę komórkowej i Molekularnej funkcji synaptycznej (CMSF) w OIST. „To wyjaśnia, w jaki sposób izofluran może powodować znieczulenie, preferencyjnie blokując sygnały o wysokiej częstotliwości.”
w synapsach sygnały są wysyłane przez neurony presynaptyczne i odbierane przez neurony postsynaptyczne. W większości synaps komunikacja odbywa się za pośrednictwem przekaźników chemicznych – lub neuroprzekaźników.
gdy elektryczny impuls nerwowy lub potencjał czynnościowy dociera do końca neuronu presynaptycznego, powoduje to, że pęcherzyki synaptyczne-małe „pakiety” membranowe zawierające neuroprzekaźniki-łączą się z błoną końcową, uwalniając neuroprzekaźniki do szczeliny między neuronami. Gdy neuron postsynaptyczny wyczuwa wystarczającą ilość neuroprzekaźników, wyzwala to nowy potencjał działania w neuronie postsynaptycznym.
Jednostka CMSF wykorzystała plasterki mózgu szczura do badania gigantycznej synapsy zwanej kielichem Helda. Naukowcy wywołali sygnały elektryczne o różnych częstotliwościach, a następnie wykryli potencjały działania generowane w neuronie postsynaptycznym. Okazało się, że wraz ze wzrostem częstotliwości sygnałów elektrycznych, izofluran miał silniejszy wpływ na blokowanie transmisji.
aby potwierdzić odkrycia swojej jednostki, Takahashi skontaktował się z dr Takayuki Yamashitą, badaczem z Uniwersytetu Nagoi, który przeprowadził eksperymenty na synapsach, zwanych synapsami korowo-korowymi, w mózgach żywych myszy.
Yamashita stwierdził, że znieczulenie wpływa na synapsy korowo-korowe w podobny sposób jak kielich Held. Gdy myszy znieczulono za pomocą izofluranu, transmisja wysokiej częstotliwości była silnie zmniejszona, podczas gdy wpływ na transmisję niskiej częstotliwości był mniejszy.
„oba te eksperymenty potwierdziły działanie izofluranu jako środka znieczulającego ogólnego” – powiedział Takahashi. „Chcieliśmy jednak zrozumieć, jakie podstawowe mechanizmy izofluran ma na celu osłabienie synaps w ten zależny od częstotliwości sposób.”
śledzenie celów
dzięki dalszym badaniom naukowcy odkryli, że izofluran zmniejsza ilość uwalnianego neuroprzekaźnika, zarówno poprzez obniżenie prawdopodobieństwa uwolnienia pęcherzyków, jak i poprzez zmniejszenie maksymalnej liczby pęcherzyków, które mogą zostać uwolnione naraz.
naukowcy zbadali zatem, czy izofluran wpływa na kanały jonów wapnia, które są kluczowe w procesie uwalniania pęcherzyków. Kiedy potencjały działania docierają do końcowego punktu presynaptycznego, kanały jonów wapnia w błonie otwierają się, umożliwiając jony wapnia zalać. Pęcherzyki synaptyczne następnie wykrywają wzrost wapnia i łączą się z błoną. Naukowcy odkryli, że izofluran zmniejszał napływ wapnia poprzez blokowanie kanałów jonów wapnia,co z kolei zmniejszało prawdopodobieństwo uwolnienia pęcherzyków.
„jednak sam ten mechanizm nie mógł wyjaśnić, w jaki sposób izofluran zmniejsza liczbę uwalnialnych pęcherzyków, ani zależnej od częstotliwości natury działania izofluranu”, powiedział Takahashi.
naukowcy wysunęli hipotezę, że izofluran może zmniejszyć liczbę uwalnialnych pęcherzyków poprzez bezpośrednie blokowanie procesu uwalniania pęcherzyków przez egzocytozę lub pośrednio blokując recykling pęcherzyków, w którym pęcherzyki są reformowane przez endocytozę, a następnie uzupełniane neuroprzekaźnikiem, gotowym do ponownego uwolnienia.
mierząc elektrycznie zmiany powierzchni błony końcowej presynaptycznej, która jest zwiększana przez egzocytozę i zmniejszana przez endocytozę, naukowcy doszli do wniosku, że izofluran wpływa tylko na uwalnianie pęcherzyków przez egzocytozę, prawdopodobnie przez blokowanie maszynerii egzocytarnej.
„co najważniejsze, odkryliśmy, że ten blok miał znaczący wpływ tylko na sygnały wysokiej częstotliwości, co sugeruje, że ten blok na maszynach egzocytarnych jest kluczem do działania znieczulającego izofluranu”, powiedział Takahashi.
naukowcy zaproponowali, że potencjały działania o wysokiej częstotliwości wywołują tak ogromny napływ wapnia do terminalu presynaptycznego, że izofluran nie może skutecznie zmniejszyć stężenia wapnia. Siła synaptyczna jest zatem osłabiona głównie przez bezpośredni blok maszynerii egzocytarnej, a nie zmniejszone prawdopodobieństwo uwolnienia pęcherzyków.
tymczasem impulsy o niskiej częstotliwości wywołują mniej egzocytozy, więc blok izofluranu na maszynach egzocytarnych ma niewielki wpływ. Chociaż izofluran skutecznie zmniejsza wejście wapnia do terminalu presynaptycznego, obniżenie prawdopodobieństwa uwolnienia pęcherzyków samo w sobie nie jest wystarczająco silne, aby zablokować potencjały postsynaptyczne w kielichu Held i ma tylko niewielki wpływ na synapsy korowo-korowe. W związku z tym zachowana jest transmisja niskich częstotliwości.
ogólnie seria eksperymentów dostarcza przekonujących dowodów na to, w jaki sposób izofluran osłabia synapsy w celu wywołania znieczulenia.
„teraz, gdy ustaliliśmy techniki manipulacji i rozszyfrowania mechanizmów presynaptycznych, jesteśmy gotowi zastosować te techniki do trudniejszych pytań, takich jak mechanizmy presynaptyczne leżące u podstaw objawów chorób neurodegeneracyjnych”, powiedział Takahashi. „To będzie nasze następne wyzwanie.”