大脑如何最快的突触救我们脱离头晕

让我们走的感觉器官,跳舞,把我们的头没有眩晕或平衡损失包含专业突触这一过程信号的速度比其他任何在人类的身体。

在发现超过15年,一小群神经科学家,物理学家和工程师们从几个机构解锁机制的突触为研究铺平了道路,可以改善治疗眩晕和影响多达的平衡失调1在3 40岁以上的美国人。

这项新研究美国国家科学院院刊》上描述的运作“前庭头发cell-calyx突触,”在器官的最内层的耳朵头的位置和运动在不同的方向。

“没有人完全了解这种突触可以那么快,但是我们阐明了神秘,”说罗伯·拉斐尔,莱斯大学生物与芝加哥大学的这项研究的合著者露丝安妮Eatock伊利诺斯州芝加哥大学的安娜大学、当前大米研究生Aravind Chenrayan Govindaraju和前大米研究生伊姆兰Quraishi耶鲁大学助理教授,现在。

突触是生物神经元可以互相传递信息和身体的其他部位。人体包含数百数以万亿计的突触,其中几乎所有通过分享信息量子传输一种化学信号通过神经递质,至少需要0.5毫秒跨突触发送信息。

之前的实验显示更快,“nonquantal”形式的传播发生在前庭头发cell-calyx突触,动作感应前庭的地方毛细胞满足传入神经元直接连接到大脑。这项新的研究解释了为什么这些突触运作得如此之快。

在每个信号接收神经元周围的伙伴毛细胞,称为花萼杯状的结构。花萼和头发细胞保持隔开一个小缺口,或间隙,测量几个十亿分之一米。

“前庭花萼是大自然的一个奇迹,“大学说。“其庞大的杯状容器结构是唯一一个在整个神经系统。结构和功能密切相关,与自然显然投入大量的精力,产生这种结构。我们一直试图找出其特殊目的很长一段时间。”

从离子通道表达的头发细胞和它们相关的花萼,作者创造了第一个计算模型能够定量描述nonquantal整个纳米鸿沟的信号传输。模拟nonquantal传输允许团队调查发生在突触间隙,这是更广泛的比其他突触在前庭神经突触。

”机制是很微妙的,与动态交互导致快速和慢速nonquantal形式传播,”拉斐尔说。“理解这一切,我们做了一个突触的生物物理模型基于其详细的解剖学和生理学”。

模型模拟的电压响应花萼机电刺激,跟踪的钾离子通过离子通道low-voltage-activated pre-synaptic毛细胞突触后花萼。

拉斐尔说,模型准确地预测钾在突触间隙的变化,提供关键的新见解电势的变化,负责快速组件nonquantal传播;解释如何nonquantal传输就可以触发动作电位在突触后神经元;和显示都快和慢传输取决于密切和广泛的花萼杯由毛细胞。

Eatock说,“关键能力是能够预测钾水平和间隙内的电势在每一个位置。这允许团队说明nonquantal传输的大小和速度取决于结构新颖的花萼。研究表明工程方法的力量来阐明基本生物学机制的一个重要但有时忽视生物工程研究的目标。”

Quraishi开始构造模型和与Eatock合作在2000年代中期,当他是一个研究生在拉斐尔的研究小组和她在贝勒医学院的教师,刚从位于休斯顿的赖斯大学的几个街区德州医学中心。

他的第一个版本的模型捕获突触的重要特征,但他表示缺口”我们的知识具体的钾离子通道和其他组件的模型太有限,声称它是完全准确的。”

Eatock,自那以后,大学和其他离子通道在花萼发现改变了科学家们了解离子电流的流动在毛细胞和花萼膜。

Qurashi说:“未完成工作拖累了我,“他欣慰和兴奋当Govindaraju,博士生在应用物理,加入了拉斐尔的实验室,2018年恢复工作模型。

“我开始这个项目的时候,更多的数据支持nonquantal传播,“Govindaraju说。“但机制,特别是快速传播,还不清楚。建筑模型给了我们一个更好的理解不同的离子通道相互作用和目的,花萼结构和动态突触间隙中钾和电势的变化。”

拉斐尔说:“我的一个非常为先”是开发一个模型的离子传输内耳。总是令人满意的达到一个统一的数学模型,一个复杂的生理过程。过去30年以来的原始观察nonquantal传播——科学家们想知道,“为什么这个突触这么快?“和”,相关的传输速度是独一无二的花萼结构?我们提供了这两个问题的答案。”

他说,花萼”的结构和功能之间的联系是如何进化的一个例子驱动形态专业化。一个令人信服的论点是,一旦动物来自大海,开始在陆地上移动,摇摆在树上飞,有要求增加对前庭系统迅速告知大脑在空间的位置。在这一点上盏出现了。”

拉斐尔说,模型打开门的更深层次的探索在前庭神经突触信息处理,包括独特的量子和nonquantal传播之间的相互作用的研究。

他说,模型也可能是一个强大的工具,研究电力传输的研究人员在神经系统的其他部分,他希望这将帮助那些设计前庭植入物,neuroprosthetic设备可以恢复功能,那些已经失去了平衡。

参考:Govindaraju AC, Quraishi IH,大学,Eatock RA,拉斐尔RM。在前庭的头发Nonquantal传播cell-calyx突触:KLV电流调节快电气和慢K +潜力。PNAS。2023年,120 (2):e2207466120。doi:10.1073 / pnas.2207466120

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