ny förståelse av neuron signalering

Den klassiska modellen för hur hjärnans celler kommunicerar lades fram 1943 av Warren McCulloch och Walter Pitts, när den första digitala datorer var planerade, och McCulloch-Pitts modell föreslås att hjärnceller kommunicera på ett binärt mode, företrädd av en "1" för bränning och en "0" för att inte skjuta, mycket som en modern dator.

Även om det är vanligt att säga att ett däggdjur hjärnan fungerar som en dator, detta är en något felaktig uppfattning, delvis på grund observation från Traub lab tyder på att klyftan vägkorsningar orsaka "kortslutning" som en del av hjärnans normala funktioner. En riktig dator kan inte fungera om den kortsluts. Det är möjligt att dessa kortslutningar i däggdjur hjärnan i allmänhet förbättra hjärnans funktion och anpassning till miljön, till exempel genom att tillåta kreativt tänkande, den kombination av isolerade fakta till nya idéer.

Forskare har funnit starka bevis för en ny typ av kommunikation mellan nervceller i hjärnan. Resultaten kan ha betydelse för förebyggande och behandling av epilepsi, och eventuellt i utforskandet av andra aspekter av hjärnans funktioner, från kreativa tankeprocessen till psykiska sjukdomar som schizofreni.

Epilepsi - en grupp av sjukdomar som karakteriseras av återkommande förekomsten av spontana anfall - drabbar ungefär hälften av en procent av den amerikanska befolkningen, och en större andel fortfarande i utvecklingsländer. I ungefär en tredjedel av patienterna, anfall inte är ordentligt kontrollerad av tillgängliga behandlingar. Problem kan uppstå i möjligheten för patienter att fungera både hemma och ute i samhället.

Epileptiska anfall är vanligen anses återspegla en obalans mellan förmågan hos nervceller att hetsa varandra, å ena sidan, och för att förhindra en annan, å andra sidan. Den excitation och hämning ske på grund av aktiviteten i nervceller leder till utsättning av särskilda kemikalier - som kallas neurotransmittorer - på specialiserade knutpunkter som kallas "kemiska synapser". De neurotransmittorer diffusa över ett litet mellanrum mellan nervcellerna, och sedan binder till proteiner (som kallas "receptorer") på andra nervceller. Bindning av en neurotransmittor till en receptor i sin tur orsakar excitation eller hämning i andra nervceller.

Detta är den "klassiska" medel för kommunikation mellan nervceller, och ligger till grund för de flesta av aktuell kunskap om hur hjärnan processer och kontroller muskler i kroppen .* En beslag antas uppstå när det är för mycket kemiska synaptic excitation, och / eller inte tillräckligt hämning.

Det finns dock en annan väg för nervceller att kommunicera med varandra, kallade gap vägkorsningar. Gap junctions tillåter elektrisk ström att flöda direkt från en cell till en annan, utan innebär utsläpp och spridning av sändare kemikalier, och kan ses som "kortslutning" som länkar samman eller skär igenom de vägar genom vilka celler normalt kommunicera.

Gap vägkorsningar finns i många delar av kroppen, till exempel hjärtat. Gap korsningar mellan nervceller har mest studerats hos äldre djur (t.ex. fisk) och ryggradslösa djur (t.ex. leeches och krabbor), dessutom klyftan vägkorsningar i däggdjur har studerats som finns mellan nervceller som producerar inhibition - det vill säga mellan celler som inte främst för den epileptiska anfall. Gap korsningar mellan retande celler i däggdjur hjärnan inte har traditionellt varit en del av de tankar som finns neuroscientists.

En källa till idén att klyftan vägkorsningar var mycket viktigt i epilepsi kom från observationer av hjärnvågor som spelade in alldeles innan ett beslag börjar: dessa vågor kan uppstå vid mycket höga frekvenser, 100 gånger per sekund eller ännu mer.

Denna observation, och andra experiment som utförs i Europa med början 10 år sedan, ledde en av författarna till PNAS-artikeln (Roger Traub, på Suny Downstate) att föreslå en ny hypotes: att retande nervceller - de celler som är mest avgörande i skapandet av epileptiska anfall - är också kopplas samman med brist vägkorsningar, det vill säga skillnaden vägkorsningar är inte begränsade till de celler som producerar hämning. Dessutom har klyftan korsningar mellan retande celler var förväntas uppträda på ett oväntat ställe: det axoner av celler (axonet är den del av cellen som gör att spridning av en signal på långa avstånd).

En sådan hypotes var naturligtvis kontroversiell. Forskarna ville se dessa föreslagna klyftan vägkorsningar. Men klyftan vägkorsningar är små, och att se dem måste man använda sig av en elektronmikroskop, ett instrument som kan lösa de strukturella detaljer som är mindre än våglängden för synligt ljus - detaljer om omfattningen av tiotals Angstroms (en Ångström är ungefär diameter av en väte atom).

Tillämpningen av ett elektronmikroskop för att undersöka små strukturer i nervceller är ett särskilt intresse av Dr Patrick Hof i Mount Sinai School of Medicine, en annan av PNAS författare. Dessutom, i studien av klyftan vägkorsningar, användning av ett elektronmikroskop är ofta förenat med kemiska (antikroppar) teknik som möjliggör ett att bestämma vilka proteiner som är närvarande i vägkorsningar. Dessa tekniker har varit pionjärer genom Dr. John Utslag av Colorado State University, och som Dr Naomi Kamasawa i Dr Utslag laboratorium: båda är också författare av PNAS artikel.

Den PNAS artikel av Hamzei-Sichani et al. är den första elektron mikroskopiska bevis (eller "Ultrastrukturella" bevis) för skillnaden vägkorsningar på axoner av retande nervceller i däggdjur hjärnan. Gap korsningar på denna webbplats, om axoner, kan förväntas fungera som kortslutningar för nerv signaler och att producera "cross-talk." Den nya uppgifter väcker den provocerande frågan om cross-talk är en aspekt av normala hjärnfunktioner.

Vilka är konsekvenserna för epilepsi "Först måste mer läst om fördelningen av klyftan vägkorsningar - vad nervceller har dem, var på celler de befinner sig, och hur ska de kontrollerade (dvs kan skillnaden vägkorsningar kan öppnas eller stängas av kemiska signaler) andra, mer måste veta exakt hur klyftan vägkorsningar bidra till den mycket snabba hjärnvågor som kan förebåda ett beslag. Och slutligen måste det fastställas om förmildrande eller förebygga dessa mycket snabbt hjärnvågor kan förebygga epileptiska anfall. Som är nästan alltid fallet i biomedicin, varje upptäckt skapar behov av fler experiment.

Vad är uppenbarligen fallet är dock att en helt ny riktning är öppna för att förstå ursprunget av epilepsi, och i utformningen av nya metoder för behandling och förebyggande.

Dessutom, Dr Jeremy Coplan, professor i psykiatri vid Suny Downstate - har föreslagit att alltför bränning av dessa kretsar längs klyftan vägkorsningar kan spela en roll vid psykos och mani.

Arbetet utförts gemensamt av forskare vid Suny Downstate Medical Center i Brooklyn, New York, Colorado State University i Fort Collins, Colorado, Mount Sinai School of Medicine i Manhattan, New York, och universitetet i Newcastle i Storbritannien. Det ansvariga författare var Dr Farid Hamzei-Sichani, en MD / doktorand vid Downstate Medical Center, som arbetar på laboratoriet av Roger Traub, MD, professor i fysiologi och farmakologi och neurologi vid Suny Downstate.