Дослідження Northwestern Medicine виявило нові клітинні механізми в сітківці, які можуть сприяти розробці цільової терапії захворювань і станів, що впливають на зір, згідно з результатами, опублікованими в Nature Communications.

“Колбочкові синапси всередині сітківки ока допомагають мозку обробляти зміни світла. Це унікальні синапси, тому що вони еволюціонували, щоб сигналізувати про зміни в інтенсивності світла”, – сказали Стівен ДеВріс, доктор медичних наук, доктор філософії, Девід Шох, доктор медичних наук, доктор філософії, професор офтальмології та старший автор дослідження.

«На противагу інтуїції, вивільнення колбочками нейромедіатора є найбільшим у темряві та зменшується під дією світла. Коли світло яскравіше, то вивільнення стає меншим. Коли світло тьмяніше, воно збільшується; цей синапс працює інакше, ніж більшість синапсів, які використовують механізм вивільнення нейромедіатору для сигналу все або нічого”, – сказав ДеВріс.

На відміну від більшості інших синапсів у мозку, кожен окремий колбочкоподібний синапс пов’язаний із більш ніж дюжиною різних типів постсинаптичних нейронів, біполярних клітин, які передають інформацію паралельно внутрішній частині сітківки. У внутрішній сітківці ока ці паралельні потоки сприяють не тільки свідомому зору, але й підсвідомим процесам, таким як стабілізація погляду.

У поточному дослідженні, яке включало сітківку ссавців, дослідники вперше використали мікроскопію з високою роздільною здатністю, щоб нанести на карту розташування місць вивільнення трансмітера, білків повторного захоплення трансмітера та постсинаптичних контактів у колбочкоподібному синапсі. Потім вони використали підхід під назвою «синаптичний облік», щоб зв’язати кількість нейромедіатора, вивільненого колбочкою, із відповідями на нього в кожному типі постсинаптичних біполярних клітин.

«Нейромедіатор вивільняється порціями або квантами, коли везикула зливається з пресинаптичною мембраною. Оскільки більшість синапсів включають прямі контакти один до одного через вузьку щілину, передбачається, що один виявлений квант дорівнює одному вивільненому кванту. Колбочкоподібний синапс має іншу будову, яка скасовує це припущення. Ми розробили спосіб стимулювати колбочку і підраховувати везикули, які вивільняються, в той же час підраховуючи кількість везикул, які виявляються постсинаптичним нейроном”, – сказав ДеВріс.

Використовуючи ці методи, дослідники показали, що певні типи біполярних клітин реагують на окремі події злиття везикули та загальні кванти, тоді як інші типи реагують на ступені локально співпадаючих подій, створюючи нелінійне підсумовування. Ці відмінності викликані комбінацією факторів, характерних для кожного типу біполярних клітин, включаючи відстань дифузії, номер контакту, спорідненість рецепторів і близькість до транспортерів.

«Зовнішня сітківка використовує той самий набір інструментів, що й інші частини центральної нервової системи, як-от везикули, синаптичні зони вивільнення та постсинаптичні рецептори, але організовує ці елементи новими способами для виконання іншого, дуже локалізованого типу обробки. Аналогову обробку також можна знайти в дендритному дереві нейронів центральної нервової системи, де відбувається основна частина обчислень, як лінійних, так і нелінійних», – сказав ДеВріз.

За словами ДеВріса, одним із наступних кроків для його команди є використання нового, більш потужного типу мікроскопії з надвисокою роздільною здатністю для визначення білкових компонентів, які утворюють колбочкоподібні синапси.

«Один із способів, за допомогою якого різні біполярні клітини розподіляють сигнал, полягає в тому, що деякі з них дуже чутливі до малих сигналів, а інші потребують сильних сигналів для відповіді; «сильний сигнал» або високопорогова біполярна клітина має унікальний тип нечутливого постсинаптичний рецептору. Ми також хотіли б ідентифікувати цей рецептор”, – сказав ДеВріз.

Оригінальне дослідження було опубліковане в журналі Nature Communications 16 червня 2023 року.