Новое исследование Питтсбургского университета переворачивает десятилетия устоявшихся представлений о работе мозга. Международная команда нейробиологов под руководством профессора Оливера Шлютера обнаружила, что синапсы используют не единый механизм передачи сигналов, а сложную двойную систему, позволяющую одновременно поддерживать стабильность и адаптироваться к новому опыту.

Нейроны взаимодействуют посредством процесса, называемого синаптической передачей, при котором один нейрон высвобождает химические мессенджеры, называемые нейромедиаторами, из пресинаптического окончания. Эти молекулы преодолевают микроскопическую щель, называемую синаптической щелью, и связываются с рецепторами на соседнем постсинаптическом нейроне, вызывая реакцию.

Традиционно учёные считали, что спонтанная передача (сигналы, возникающие случайным образом) и вызванная передача (сигналы, запускаемые сенсорными данными или опытом) происходят из одного типа канонических синаптических участков и опираются на общую молекулярную механику.

Используя модель зрительной коры мышей, исследовательская группа под руководством Оливера Шлютера, доцента кафедры нейробиологии Школы искусств и наук Кеннета П. Дитриха, выявила два принципиально разных типа синаптических участков. Первый тип — "молчащие" (silenceable) участки — активируется при обучении и отвечает за усиление синаптической передачи во время критических периодов развития. Второй тип — "регулируемые" (idle-able) участки — работает как встроенный стабилизатор, поддерживая постоянную частоту фоновой нейронной активности.

Разделение функций синапсов

Ранее считалось, что спонтанная (миниатюрная) и вызванная синаптическая передача используют одни и те же участки. Однако эксперименты на мышах показали, что эти процессы регулируются независимо. В зрительной коре после открытия глаз вызванная передача усиливалась, тогда как частота mEPSCs оставалась неизменной. Это указывает на то, что мозг использует разные механизмы для поддержания стабильности и пластичности.

Этот парадокс ученые смогли объяснить с помощью оригинального эксперимента. Применяя специальные химические вещества, активирующие "спящие" рецепторы, они обнаружили, что можно резко увеличить спонтанную активность, не затрагивая при этом вызванные сигналы. Это стало неопровержимым доказательством существования двух независимых систем передачи.

Роль AMPA-рецепторов

Особый интерес представляет механизм "синаптического бездействия" (idling), когда часть передающих участков временно отключается, поддерживая оптимальный баланс активности. Этот процесс особенно активен в период развития мозга, когда нейронные сети проходят критическую стадию настройки.

Исследователи обнаружили, что idle-able sites могут временно "отключаться" (идлинг), что предотвращает чрезмерное возбуждение нейронов. Применение десенсибилизирующих блокаторов (TCM и CTZ) восстанавливало их активность, увеличивая частоту mEPSCs, но не влияло на вызванную передачу. Это подтверждает, что два типа участков работают независимо, несмотря на то что могут находиться в одном синапсе.

Значение для нейробиологии

Открытие меняет представление о том, как мозг балансирует между стабильностью и пластичностью. Нарушения в работе silenceable и idle-able sites могут быть связаны с неврологическими и психическими расстройствами, включая аутизм и шизофрению.

Исследование, поддержанное Национальными институтами здоровья (NIH) и другими научными фондами, продолжается. Ученые сейчас работают над детальным картированием молекулярных механизмов, обеспечивающих работу этой двойной системы.

Источник:

• Yue Yang et al. Distinct transmission sites within a synapse for strengthening and homeostasis.Sci. Adv.11,eads5750(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads5750