Ανεπανάληπτο: Η Κίνα κατέγραψε με νανοκάμερα την επικοινωνία νευρώνων του εγκεφάλου

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της νευρολογίας φαίνεται πως επιτέλους λύθηκε και η απάντηση ήρθε μέσα από έναν φακό νανοτεχνολογίας. Ερευνητές στην Κίνα κατάφεραν για πρώτη φορά να αποτυπώσουν την πιο σύντομη επαφή μεταξύ δύο νευρώνων, μια αστραπιαία διαδικασία που επιτρέπει στα εγκεφαλικά κύτταρα να επικοινωνούν μεταξύ τους. Το στιγμιαίο αυτό «φιλί» διαρκεί μόλις μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, κι όμως αποτελεί τη βάση όλων των σκέψεων, των αναμνήσεων και των συναισθημάτων μας.

Η ανακάλυψη, δημοσιευμένη στο περιοδικό Science, είναι έργο μιας ερευνητικής ομάδας από το University of Science and Technology of China (USTC) και το Institute of Advanced Technologies του Shenzhen, και οι δύο υπό την αιγίδα της Chinese Academy of Sciences. Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια κάμερα ικανή να «παγώνει» τον χρόνο σε διαστήματα μερικών millisecond, αποτυπώνοντας γεγονότα που συμβαίνουν σε νανοκλίμακα, εκατομμύρια φορές μικρότερη από ένα χιλιοστό.

Αυτό το επίτευγμα έρχεται να δώσει τέλος σε μια επιστημονική διαμάχη που κρατάει από τη δεκαετία του 1970. Οι νευρολόγοι εδώ και δεκαετίες διαφωνούσαν για το πώς ακριβώς τα νευρικά κύτταρα απελευθερώνουν τους νευροδιαβιβαστές, τα χημικά μόρια που μεταφέρουν τα σήματα στον εγκέφαλο. Υπήρχαν δύο κύριες θεωρίες: η μία υποστήριζε ότι τα κυστίδια (vesicles) που μεταφέρουν τα μόρια αυτά συγχωνεύονται πλήρως με τη μεμβράνη του νευρώνα, η λεγόμενη διαδικασία “full collapse”. Η άλλη θεωρία, γνωστή ως “kiss-and-run”, υποστήριζε ότι τα κυστίδια απλώς αγγίζουν στιγμιαία τη μεμβράνη, «φιλιούνται» θα λέγαμε, πριν αποσυρθούν για να επαναχρησιμοποιηθούν.

Το πρόβλημα ήταν πως αυτό το φαινόμενο συμβαίνει σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, ταχύτερα από τις δυνατότητες κάθε μικροσκοπίου μέχρι σήμερα. Έτσι, η επιβεβαίωση οποιασδήποτε από τις δύο θεωρίες έμοιαζε αδύνατη.

Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, οι Κινέζοι ερευνητές αφιέρωσαν δεκαπέντε χρόνια στην ανάπτυξη μιας πρωτοποριακής τεχνολογίας απεικόνισης. Δημιούργησαν ένα ηλεκτρονικό κρυο-μικροσκόπιο υψηλής χρονικής ανάλυσης, ικανό να συλλαμβάνει εικόνες από κύτταρα που έχουν «παγώσει» μέσα σε millisecond. Η τεχνική αυτή, γνωστή ως κρυοηλεκτρονική τομογραφία (cryo-ET), επέτρεψε στους επιστήμονες να δουν για πρώτη φορά, κυριολεκτικά σε πραγματικό χρόνο, το πώς λειτουργούν οι νευρώνες όταν εκπέμπουν ένα σήμα.

Συνδυάζοντας την τεχνολογία αυτή με οπτογενετική διέγερση, δηλαδή ενεργοποίηση των νευρικών κυττάρων με παλμούς φωτός, οι ερευνητές κατέγραψαν περισσότερες από χίλιες τρισδιάστατες εικόνες από συνάψεις σε εγκέφαλο αρουραίου. Κάθε καρέ αποκάλυπτε ένα διαφορετικό στάδιο της διαδικασίας μετάδοσης των νευροδιαβιβαστών, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ανασυνθέσουν ολόκληρη τη διαδικασία με ακρίβεια χιλιοστού του δευτερολέπτου.

Η ανάλυση των δεδομένων αποκάλυψε κάτι ακόμα πιο εντυπωσιακό: καμία από τις δύο παλιές θεωρίες δεν ήταν εντελώς σωστή. Μέσα σε μόλις τέσσερα millisecond μετά τη διέγερση, το κυστίδιο δημιουργεί έναν μικροσκοπικό πόρο σύντηξης περίπου τεσσάρων νανομέτρων, τη στιγμή του «φιλιού». Αμέσως μετά, συρρικνώνεται χάνοντας περίπου τη μισή επιφάνειά του, στη φάση της «σύσπασης». Μέσα σε περίπου εβδομήντα millisecond, τα περισσότερα κυστίδια αποδεσμεύονται και ανακυκλώνονται, ενώ ένα μικρό ποσοστό συγχωνεύεται πλήρως με τη μεμβράνη. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτό το συνδυαστικό φαινόμενο “kiss-shrink-run” — «φιλί, συρρίκνωση και φυγή».

Η προσέγγιση αυτή γεφυρώνει τα δύο στρατόπεδα που αντιμάχονταν επί μισό αιώνα. Όπως εξηγεί η Stella Hurtley, αναπληρώτρια διευθύντρια του Science, το νέο μοντέλο δείχνει πώς ο εγκέφαλος συνδυάζει ταχύτητα και αποδοτικότητα χωρίς να σπαταλά ενέργεια. Οι συνάψεις δεν είναι ούτε μόνιμες ούτε εντελώς αναστρέψιμες, αλλά λειτουργούν με έναν ευέλικτο, «υβριδικό» μηχανισμό που η εξέλιξη φαίνεται να έχει τελειοποιήσει.

Πέρα από τη λύση ενός νευροεπιστημονικού μυστηρίου, η νέα νανοκάμερα ανοίγει τον δρόμο για πλήθος άλλων εφαρμογών. Σύμφωνα με το USTC, η τεχνολογία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη εξαιρετικά γρήγορων κυτταρικών διεργασιών, όπως η είσοδος ιών στα κύτταρα ή η απελευθέρωση ορμονών.

[source]