تصاویر سه بعدی دقیق از سیناپس هندسه دقیقی از فعل و انفعالات بین سلول های منفرد را ارائه می دهد.

دانشمندان یکی از دقیق ترین تصاویر سه بعدی از سیناپس را ایجاد کرده اند، نقطه اتصال مهمی که در آن نورون ها از طریق تبادل سیگنال های شیمیایی با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. این مدل‌های مقیاس نانومتری به دانشمندان کمک می‌کنند تا بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی مانند بیماری هانتینگتون و اسکیزوفرنی را بهتر درک کنند و مطالعه کنند.

مطالعه جدید در مجله ظاهر می شود PNAS و توسط تیمی به سرپرستی استیو گلدمن، MD، PhD، یکی از مدیران مرکز اعصاب ترجمه در دانشگاه روچستر و دانشگاه کپنهاگ تالیف شد. این یافته ها دستاورد فنی قابل توجهی را نشان می دهد که به محققان اجازه می دهد تا سلول های مختلفی را که در سیناپس های فردی همگرا می شوند در سطحی از جزئیات که قبلاً قابل دستیابی نبودند، مطالعه کنند.

درک ساختار سیناپس از روی ادبیات یک چیز است، اما دیدن هندسه دقیق تعاملات بین سلول های فردی با چشمان خود چیز دیگری است. توانایی اندازه‌گیری این محیط‌های بسیار کوچک یک زمینه جوان است و این پتانسیل را دارد که درک ما را از تعدادی از بیماری‌های عصبی و عصبی روانی که در آن عملکرد سیناپسی مختل می‌شود، ارتقا دهیم.»

دکتر عبداللاتیف بنرایس، نویسنده همکار و دانشیار پژوهشی، مرکز اعصاب ترجمه

محققان از روش جدید برای مقایسه مغز موش های سالم با موش های حامل ژن جهش یافته که باعث بیماری هانتینگتون می شود، استفاده کردند. تحقیقات قبلی در آزمایشگاه گلدمن نشان داده است که آستروسیت های ناکارآمد نقش کلیدی در این بیماری دارند. آستروسیت ها اعضای خانواده ای از سلول های پشتیبان در مغز به نام گلیا هستند و به حفظ محیط شیمیایی مناسب در سیناپس کمک می کنند.

محققان بر روی سیناپس‌هایی که نورون‌های حرکتی خاردار متوسط ​​را درگیر می‌کنند، تمرکز کردند، از بین رفتن پیشرونده این سلول‌ها نشانه بیماری هانتینگتون است. محققان ابتدا باید سیناپس‌های پنهان در درهم‌تنیدگی سه سلول مختلف را که در محل همگرا هستند شناسایی می‌کردند: آکسون پیش سیناپسی از یک نورون دور. هدف آن، نورون حرکتی خاردار متوسط ​​پس سیناپسی است. و فرآیندهای فیبر یک آستروسیت همسایه.

برای انجام این کار، محققان از ویروس‌هایی برای اختصاص برچسب‌های فلورسنت جداگانه به آکسون‌ها، نورون‌های حرکتی و آستروسیت‌ها استفاده کردند. آنها سپس مغزها را برداشتند، مناطق مورد نظر را با میکروسکوپ چند فوتونی تصویربرداری کردند و از تکنیکی به نام برندسازی مادون قرمز استفاده کردند که از لیزر برای ایجاد نقاط مرجع در بافت مغز استفاده می‌کند که به محققان اجازه می‌دهد بعداً سلول‌های مورد نظر را تغییر دهند.

سپس این تیم بافت مغز را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی اسکن بلوک صورت سریالی واقع در دانشگاه کپنهاگ، یک ابزار تحقیقاتی که برای مطالعه کوچکترین ساختارهای مغز ایجاد شده است، مورد بررسی قرار دادند. این دستگاه از یک چاقوی الماسی برای برداشتن و تصویربرداری متوالی برش های بسیار نازک بافت مغز استفاده می کند و مدل های سه بعدی در مقیاس نانومتری از سلول های برچسب گذاری شده و تعامل آنها در سیناپس ایجاد می کند.

کارلوس بنیتز ویلانووا، کارشناس ارشد مرکز اعصاب ترجمه و نویسنده اول، گفت: «مدل‌ها هندسه و روابط ساختاری بین آستروسیت‌ها و سیناپس‌های شریک آن‌ها را نشان می‌دهند، که مهم است زیرا این سلول‌ها باید به شیوه‌ای خاص در سیناپس تعامل داشته باشند.» از مطالعه این رویکرد به ما توانایی اندازه گیری و توصیف هندسه محیط سیناپسی و انجام این کار را به عنوان تابعی از بیماری گلیال می دهد.

در مغز موش‌های سالم، این تیم مشاهده کردند که فرآیندهای آستروسیتی با فضای اطراف سیناپس دیسک‌شکل درگیر شده و کاملاً آن را در بر می‌گیرد و یک پیوند محکم ایجاد می‌کند. در مقابل، آستروسیت‌ها در موش‌های هانتینگتون در سرمایه‌گذاری یا جداسازی سیناپس مؤثر نبودند و شکاف‌های بزرگی بر جای گذاشتند. این نقص ساختاری به پتاسیم و گلوتامات – مواد شیمیایی که ارتباط بین سلول ها را تنظیم می کنند – اجازه می دهد تا از سیناپس نشت کنند و به طور بالقوه ارتباط سلولی طبیعی را مختل کنند.

اختلال عملکرد آستروسیت با سایر بیماری ها، از جمله اسکیزوفرنی، اسکلروز جانبی آمیوتروفیک، و دمانس فرونتوتمپورال مرتبط است. محققان بر این باورند که این تکنیک می‌تواند درک ما از اساس ساختاری دقیق آن بیماری‌ها را تا حد زیادی بهبود بخشد. به طور خاص، آنها اشاره می کنند که این تکنیک ممکن است برای ارزیابی اثربخشی استراتژی های جایگزینی سلولی، که سلول های گلیال بیمار را با سلول های سالم جایگزین می کند، برای درمان این بیماری ها مورد استفاده قرار گیرد.

نویسندگان دیگر شامل هانس استفنسن و جان اسپورینگ با دانشگاه کپنهاگ و راجموند موکسو با دانشگاه لوند در سوئد هستند. این مطالعه با بودجه بنیاد Novo Nordisk و بنیاد Lundbeck حمایت شد.