nu, i en studie som publicerades i veckan i Journal of Neuroscience, har forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) och Nagoya University avslöjat hur en vanlig narkos som kallas isofluran försvagar överföringen av elektriska signaler mellan neuroner, vid korsningar som kallas synapser.
”viktigt är att vi fann att isofluran inte blockerade överföringen av alla elektriska signaler lika; anestetiken hade den starkaste effekten på högre frekvensimpulser som krävs för funktioner som kognition eller rörelse, medan den hade minimal effekt på lågfrekvensimpulser som styr livsuppehållande funktioner, såsom andning”, säger Professor Tomoyuki Takahashi, som leder den cellulära och molekylära synaptiska funktionen (Cmsf) enhet vid OIST. ”Detta förklarar hur isofluran kan orsaka anestesi genom att företrädesvis blockera högfrekvenssignalerna.”
vid synapser skickas signaler av presynaptiska neuroner och tas emot av postsynaptiska neuroner. Vid de flesta synapser sker kommunikation via kemiska budbärare-eller neurotransmittorer.
när en elektrisk nervimpuls eller åtgärdspotential anländer i slutet av den presynaptiska neuronen, orsakar detta synaptiska vesiklar-små membranpaket som innehåller neurotransmittorer-att smälta samman med terminalmembranet och frigöra neurotransmittorerna i klyftan mellan neuroner. När tillräckligt med neurotransmittorer känns av den postsynaptiska neuronen, utlöser detta en ny åtgärdspotential i den postsynaptiska neuronen.
cmsf-enheten använde råtthjärnskivor för att studera en jätte synaps som kallas calyx of Held. Forskarna inducerade elektriska signaler vid olika frekvenser och upptäckte sedan åtgärdspotentialerna som genererades i den postsynaptiska neuronen. De fann att när de ökade frekvensen av elektriska signaler hade isofluran en starkare effekt på blockerande överföring.
för att bekräfta hans enhets resultat nådde Takahashi ut till Dr.Takayuki Yamashita, en forskare från Nagoya University som utförde experiment på synapser, kallade kortikokortikala synapser, i hjärnan hos levande möss.
Yamashita fann att anestetiken påverkade kortikokortikala synapser på ett liknande sätt som kalyxen av hålls. När mössen bedövades med isofluran reducerades högfrekvensöverföringen kraftigt medan det var mindre effekt på lågfrekvensöverföring.
”dessa experiment bekräftade båda hur isofluran fungerar som en allmänbedövning”, säger Takahashi. ”Men vi ville förstå vilka underliggande mekanismer isofluran mål för att försvaga synapser på detta frekvensberoende sätt.”
spåra målen
med ytterligare forskning fann forskarna att isofluran minskade mängden neurotransmittor som släpptes, genom att både sänka sannolikheten för att blåsorna släpptes och genom att minska det maximala antalet vesiklar som kan släppas åt gången.
forskarna undersökte därför om isofluran påverkade kalciumjonkanaler, vilka är nyckeln till vesikelfrisättning. När åtgärdspotentialer anländer till den presynaptiska terminalen öppnas kalciumjonkanaler i membranet, vilket gör att kalciumjoner kan strömma in. Synaptiska vesiklar upptäcker sedan denna ökning av kalcium, och de smälter samman med membranet. Forskarna fann att isofluran sänkte kalciuminflödet genom att blockera kalciumjonkanaler, vilket i sin tur minskade sannolikheten för vesikelfrisättning.
”denna mekanism ensam kunde emellertid inte förklara hur isofluran minskar antalet frigörbara vesiklar eller den frekvensberoende naturen hos isoflurans effekt”, säger Takahashi.
forskarna antog att isofluran kunde minska antalet frigörbara vesiklar genom att antingen direkt blockera processen för vesikelfrisättning genom exocytos eller genom indirekt blockering av vesikelåtervinning, där vesiklar reformeras genom endocytos och sedan fylls på med neurotransmittor, redo att släppas igen.
genom att elektriskt mäta förändringarna i ytan av det presynaptiska terminalmembranet, vilket ökas genom exocytos och minskas genom endocytos, drog forskarna slutsatsen att isofluran endast påverkade vesikelfrisättning genom exocytos, sannolikt genom att blockera exocytisk maskineri.
”avgörande fann vi att detta block endast hade en stor effekt på högfrekvenssignaler, vilket tyder på att detta block på exocytiska maskiner är nyckeln till isoflurans bedövande effekt”, säger Takahashi.
forskarna föreslog att högfrekventa åtgärdspotentialer utlöser en så massiv tillströmning av kalcium till den presynaptiska terminalen att isofluran inte effektivt kan minska kalciumkoncentrationen. Synaptisk styrka försvagas därför främst av det direkta blocket av exocytiska maskiner snarare än en minskad sannolikhet för vesikelfrisättning.
under tiden utlöser lågfrekvensimpulser mindre exocytos, så isoflurans block på exocytiska maskiner har liten effekt. Även om isofluran effektivt minskar inträdet av kalcium i den presynaptiska terminalen, är sänkning av sannolikheten för vesikelfrisättning i sig inte tillräckligt kraftfull för att blockera postsynaptiska åtgärdspotentialer vid kalyxen av hålls och har endast en mindre effekt i kortikokortikala synapser. Lågfrekvent överföring upprätthålls därför.
sammantaget ger serien av experiment övertygande bevis för hur isofluran försvagar synapser för att inducera anestesi.
”nu när vi har etablerat tekniker för att manipulera och dechiffrera presynaptiska mekanismer är vi redo att tillämpa dessa tekniker på hårdare frågor, såsom presynaptiska mekanismer som ligger bakom symtom på neurodegenerativa sjukdomar”, säger Takahashi. ”Det blir vår nästa utmaning.”