Bir çizim ve mikroskobik görüntüler, en içteki kulağın harekete duyarlı vestibüler tüylü hücreleri (mavi) ile doğrudan kulağa bağlanan bitişik sinirlerin çanak şeklindeki “kaliks” (yeşil) yapıları arasındaki ilişkiyi göstermektedir. beyin. Sinapslardan hızlı bilgi akışı, insanlarda ve diğer birçok hayvanda denge ve görüşün dengelenmesine yardımcı olur. Rice Üniversitesi, Chicago Üniversitesi ve Chicago Illinois Üniversitesi’nden araştırmacılar, potasyum iyonlarının (K+) ve elektrik sinyallerinin beyine hızlı bir şekilde bilgi iletmek için sinapslar boyunca nasıl iletildiğini gösteren ilk nicel modeli yarattılar. Kredi: Aravind Chenrayan Govindaraju/Rice University
İç kulağın hıza ihtiyacı vardır.
Hissetmeden yürümemizi, dans etmemizi ve kafamızı hareket ettirmemizi sağlayan duyu organları baş dönmesi veya dengesini kaybetmek, sinyalleri insan vücudundaki diğerlerinden daha hızlı işleyen özel sinapslarla donatılmıştır.
On beş yıldan fazla bir araştırmadan sonra, çeşitli kurumlardan sinirbilimciler, fizikçiler ve mühendislerden oluşan bir ekip sonunda uzmanlaşmış sinapsların işleyişini ortaya çıkardı. Bu buluş, 40 yaşın üzerindeki Amerikalıların üçte birini etkileyen vertigo ve denge bozukluklarının tedavilerini iyileştirme potansiyeline sahip daha fazla araştırmanın yolunu açacak.
Proceedings of’taki yeni çalışma Ulusal Bilimler Akademisi, başın konumunu ve farklı yönlerdeki hareketleri algılayan en iç kulaktaki organlarda bulunan “vestibüler kıl hücresi-kaliks sinapslarının” işleyişini açıklamaktadır.
Aravind Rice Üniversitesi’nde uygulamalı fizik yüksek lisans öğrencisi olan Chenrayan Govindaraju, COMSOL Multiphysics sonlu eleman modelleme istasyonunda, memelilerin beyindeki bilinen en hızlı sinyal aracılığıyla denge kurmasına yardımcı olan bir iç kulak mekanizmasının gizli ayrıntılarını bulmak için kullandı. Kredi: Rice University
“Kimse bu sinapsın nasıl bu kadar hızlı olabileceğini tam olarak anlamadı, ancak biz gizeme ışık tuttuk,” dedi Rice Üniversitesi’nden ve çalışmanın ortak yazarlarından Rob Raphael Chicago Üniversitesi’nden Ruth Anne Eatock, Illinois Üniversitesi’nden Chicago’dan Anna Lysakowski, Rice’ın şu anki yüksek lisans öğrencisi Aravind Chenrayan Govindaraju ve şu anda Yale Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan eski Rice yüksek lisans öğrencisi Imran Quraishi.
{ 14}Rob Raphael, Rice Üniversitesi George R. Brown Mühendislik Okulu’nda biyomühendislik doçentidir. Kredi: Rice University
Sinapslar, nöronların birbirlerine ve vücudun diğer bölümlerine bilgi aktarabildiği biyolojik bağlantı noktalarıdır. İnsan vücudunda yüz trilyonlarca sinaps bulunur ve bunların neredeyse tamamı, bilgileri bir sinaps boyunca göndermek için en az 0,5 milisaniye gerektiren nörotransmiterler aracılığıyla yapılan bir tür kimyasal sinyal olan kuantal iletim yoluyla bilgi paylaşır.
Önceki deneyler, Vestibüler tüylü hücre-kaliks sinapslarında, yani hareketi algılayan vestibüler tüylü hücrelerin doğrudan beyne bağlanan afferent nöronlarla buluştuğu noktalarda daha hızlı, “kuantal olmayan” bir iletim biçiminin oluştuğu gösterilmiştir. Yeni araştırma, bu sinapsların nasıl bu kadar hızlı çalıştığını açıklıyor.
Her birinde, sinyal alan bir nöron, eş tüy hücresinin ucunu kaliks adı verilen çanak benzeri büyük bir yapıyla çevreliyor. Kaliks ve saç hücresi, metrenin yalnızca birkaç milyarda biri büyüklüğündeki küçük bir boşluk veya yarıkla ayrılmış durumda.
Lysakowski, “Vestibüler kaliks bir doğa harikasıdır,” dedi. “Geniş fincan şeklindeki yapısı, tüm sinir sisteminde türünün tek örneğidir. Yapı ve işlev yakından ilişkilidir ve doğa bu yapıyı üretmek için büyük bir enerji harcamıştır. Uzun zamandır özel amacını anlamaya çalışıyoruz.”
Yazarlar, tüylü hücrelerde ve bunlarla ilişkili kalikslerde ifade edilen iyon kanallarından, niceliksel olmayan iletimi nicel olarak tanımlayabilen ilk hesaplamalı modeli yarattılar. Bu nano ölçekli boşluk boyunca sinyallerin.”Bütün bunları anlamak için, ayrıntılı anatomi ve fizyolojisine dayalı olarak sinapsın biyofiziksel bir modelini yaptık.”
Model, potasyum iyonlarının akışını izleyerek kaliksin mekanik ve elektriksel uyaranlara verdiği voltaj yanıtını simüle eder. sinaptik öncesi tüylü hücrelerden sinaptik sonrası kalikse düşük voltajla etkinleştirilen iyon kanalları aracılığıyla.
Raphael, modelin sinaptik yarıkta potasyumdaki değişiklikleri doğru bir şekilde tahmin ettiğini ve elektrik potansiyelindeki değişiklikler hakkında önemli yeni bilgiler sağladığını söyledi. nicel olmayan iletimin hızlı bileşeninden sorumlu olan; tek başına kantitatif olmayan iletimin, sinaptik sonrası nöronda aksiyon potansiyellerini nasıl tetikleyebileceğini açıkladı; ve hem hızlı hem de yavaş iletimin tüylü hücre üzerindeki kaliksin oluşturduğu yakın ve kapsamlı kapağa nasıl bağlı olduğunu gösterdi.
Eatock, “Anahtar yetenek, potasyum seviyesini ve her an elektrik potansiyelini tahmin etme yeteneğiydi. yarık içindeki konum. Bu, ekibin nicel olmayan iletimin boyutunun ve hızının kaliksin yeni yapısına bağlı olduğunu göstermesini sağladı. Çalışma, biyomühendislik araştırmalarının önemli ancak bazen gözden kaçan hedeflerinden biri olan temel biyolojik mekanizmaları aydınlatmak için mühendislik yaklaşımlarının gücünü gösteriyor.”
Quraishi, modeli oluşturmaya ve Eatock ile işbirliği yapmaya 2000’lerin ortalarında, kendisi henüz buradayken başladı. Raphael’in araştırma grubunda yüksek lisans öğrencisiydi ve Rice’tan sadece birkaç blok ötede, Houston’ın Teksas Tıp Merkezi’nde bulunan Baylor Tıp Fakültesi’nde çalışıyordu.
Modelin ilk versiyonu, sinapsın önemli özelliklerini yakaladı, ancak, “modeli oluşturan belirli potasyum kanalları ve diğer bileşenler hakkındaki bilgimizin tamamen doğru olduğunu iddia edemeyecek kadar sınırlı olduğunu” söyledi.
O zamandan beri Eatock, Lysakowski ve diğerleri iyon kanallarını keşfettiler. bilim adamlarının iyonik akımların tüylü hücre ve kaliks zarları boyunca nasıl aktığına dair anlayışını değiştiren kaliks.
Qurashi, “Bitmemiş işler üzerime yük olmuştu” dedi ve hem rahatladı hem de heyecanlandı. tr Govindaraju, bir Ph.D. uygulamalı fizik öğrencisi, Raphael’in laboratuvarına katıldı ve 2018’de model üzerinde çalışmaya devam etti.
Govindaraju, “Projeye başladığımda, nicel olmayan iletimi destekleyen daha fazla veri vardı,” dedi. “Ancak mekanizma, özellikle de hızlı aktarım mekanizması belirsizdi. Modeli oluşturmak, farklı iyon kanallarının etkileşimini ve amacını, kaliks yapısını ve potasyum ile sinaptik yarıkta elektrik potansiyelindeki dinamik değişiklikleri daha iyi anlamamızı sağladı.”
Raphael, “Benim fikirlerimden biri ilk hibe, iç kulakta bir iyon taşıma modeli geliştirmekti. Karmaşık bir fizyolojik sürecin birleşik bir matematiksel modelini elde etmek her zaman tatmin edicidir. Son 30 yıldır – kuantal olmayan iletimin orijinal gözleminden bu yana – bilim adamları ‘Bu sinaps neden bu kadar hızlı?’ ve ‘İletim hızı benzersiz kaliks yapısıyla mı ilgili?’ diye merak ettiler. ”
Kaliksin yapısı ve işlevi arasındaki bağlantının “evrimin morfolojik uzmanlaşmayı nasıl yönlendirdiğinin bir örneği olduğunu” söyledi. Hayvanlar denizden çıkıp karada hareket etmeye, ağaçlarda sallanmaya ve uçmaya başladıklarında, başın uzaydaki konumu hakkında beyni hızla bilgilendirmek için vestibüler sistem üzerinde artan talepler olduğuna dair ikna edici bir argüman yapılabilir. Ve bu noktada kaliks ortaya çıktı.”
Raphael, modelin vestibüler sinapslardaki bilgi işlemeye ilişkin daha derin bir keşif için kapı araladığını söyledi. 2}Modelin, sinir sisteminin diğer bölümlerindeki elektrik iletimini inceleyen araştırmacılar için de güçlü bir araç olabileceğini söyledi ve vestibüler implantlar, nöroprostetik cihazlar tasarlayanlara yardımcı olacağını umduğunu ve bunların fonksiyonlarını kaybetmiş olanlara geri kazandırılabileceğini söyledi. denge.
Referans: Aravind Chenrayan Govindaraju, Imran H. Quraishi, Anna Lysakowski ve Robert M. Raphael tarafından yazılan “Vestibüler saç hücresi-kaliks sinapsında kantitatif olmayan iletim: KLV akımları hızlı elektriksel ve yavaş K+ potansiyellerini modüle eder”, 3 Ocak 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2207466120
Araştırma, Ulusal Sağlık Enstitüleri, İşitme Sağlığı Vakfı, ve Pirinç Üniversitesi ty.
.