新的发现揭示了神经元是如何建立和维持它们的交流能力的
神经系统的工作原理是神经元通过称为突触的连接进行交流。当钙离子通过通道进入“活跃区”时，它们就会“说话”，活跃区装载着携带分子信息的囊泡。带电的钙导致囊泡“融合”到突触前神经元的外膜，将它们的交流化学物质释放到突触后细胞。在一项新的研究中，麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的科学家们揭示了神经元是如何建立和维持这一重要基础设施的。
这项新研究的资深作者Troy Littleton说:“钙通道是钙流入的主要决定因素，钙流入会引发囊泡融合，所以它是突触前侧将电信号转换为化学突触传递的引擎的关键组成部分。eLife麻省理工学院生物、大脑和认知科学系神经科学Menicon教授。“它们是如何在活动区聚集的，目前还不清楚。我们的研究揭示了活跃区如何积累和调节丰富的钙通道．"
神经科学家一直在寻找这些线索。原因之一是，理解这一过程有助于揭示神经元如何改变它们的交流方式，这种被称为“可塑性”的能力是学习、记忆和其他重要大脑功能的基础。另一个原因是加巴喷丁(gabapentin)等治疗癫痫、焦虑和神经痛等多种疾病的药物与一种名为α - 2delta的蛋白质结合，这种蛋白质与钙通道密切相关。通过揭示更多关于alpha2delta的确切功能，这项研究更好地解释了这些治疗的影响。
“已知突触前钙通道功能的调节具有非常重要的临床效果，”Littleton说。“了解这些渠道如何监管的基线非常重要。”
麻省理工学院博士后凯伦·坎宁安(Karen Cunningham)领导了这项研究，这是她在利特尔顿实验室的博士论文。采用果蝇模型系统运动神经元，她运用了各种各样的技术和实验，首次展示了解释钙通道在活性区的分布和维持的逐步过程。
Cac的上限
坎宁安提出的第一个问题是，钙通道对于幼虫体内活动区的发育是否必要。苍蝇钙通道基因(称为“不和谐音”或Cac)非常重要，苍蝇真的离不开它。因此，坎宁安并没有在果蝇中消灭Cac，而是使用了一种技术，只在一组神经元中消灭它。通过这样做，她能够证明即使没有Cac，活性区也能正常生长和成熟。
使用另一种人工延长果蝇幼虫期的技术，她还能够看到，在额外的时间内，活动区将继续用一种叫做BRP的蛋白质建立其结构，但Cac的积累在正常的6天后就会停止。坎宁安还发现，神经元中可用Cac供应的适度增加和减少并不影响每个活跃区中Cac的数量。更奇怪的是，她发现虽然Cac的数量确实与每个活动区的大小成比例，但如果她拿走活动区的大量BRP，它几乎没有变化。事实上，对于每个活跃区域，神经元似乎都对存在的Cac数量施加了一致的上限。
坎宁安说:“这表明，神经元对活跃区域的结构蛋白(如BRP)有非常不同的规则，后者会随着时间的推移不断积累，而钙通道则受到严格的调控，其丰度也受到限制。”
定期刷新
研究结果表明，除了Cac供应或BRP的变化之外，一定还有其他因素在如此严格地调节Cac水平。坎宁安转向阿尔法2delta。当她通过基因控制表达量时，她发现α - 2delta水平直接决定了活性区Cac的积累量。
在进一步的实验中，Cunningham还能够证明alpha2delta维持Cac水平的能力取决于神经元的总体Cac供应。这一发现表明，α - 2delta并不是通过稳定Cac来控制活跃区Cac的数量，而是在Cac运输过程中，在上游向活跃区提供和再补给Cac。
坎宁安使用了两种不同的技术来观察这种再补给的发生，并对其范围和时间进行了测量。她在发育几天后选择了一个时刻对活跃区域进行成像，并测量Cac丰度以确定景观。她漂白了Cac荧光来擦掉它。24小时后，她重新观察Cac荧光，只突出24小时内送到活性区的新Cac。她发现在这一天，几乎所有的活动区域都有Cac的传递，但这一天的工作与前几天的工作相比确实只是一小部分。此外，她还发现较大的活动区域比较小的活动区域积累了更多的Cac。在阿尔法2delta突变的果蝇中，几乎没有新的Cac传递。
如果Cac通道确实在不断补充，那么Cunningham想知道Cac通道从活动区域移除的速度。为了确定这一点，她使用了一种染色技术，用一种被称为Maple的光转换蛋白标记到Cac蛋白上，使她可以在她选择的时间用闪光灯改变颜色。这样，她就可以先看到某段时间内Cac的累积量(显示为绿色)，然后用闪光灯将Cac变为红色。当她五天后再检查时，大约30%的红色Cac已经被新的绿色Cac替换了，这意味着30%的营业额。当她通过突变α 2 delta或减少Cac生物合成来降低Cac的传递水平时，Cac的周转停止了。这意味着活跃区域每天都有大量的Cac被交付，而这是由新的Cac交付引起的。
利特尔顿说，他的实验室渴望在这些结果的基础上继续发展。现在钙通道丰度和补充的规则已经很清楚了，他想知道当神经元经历可塑性时它们有什么不同——例如，当新的传入信息需要神经元调整它们的通信以扩大或缩小突触通信时。他说，他也渴望追踪个人钙通道在细胞体中形成，然后沿着神经轴突移动到活跃区，他想确定其他哪些基因可能影响Cac丰度。
进一步探索
