Ученые из Технологического университета Чалмерса (Chalmers University of Technology) и Гетеборгского университета в Швеции (Gothenburg University in Sweden) достигли чего-то, что долгое время считалось практически невозможным – подсчет молекул нейротрансмиттера глутамата, выделяющегося при передаче сигнала между двумя клетками головного мозга. С помощью нового метода анализа ученые показали, что мозг регулирует свои сигналы с помощью глутамата в большей степени, чем предполагалось ранее. Исследование опубликовано в научном журнале Journal of the American Chemical Society.
Актуальность исследования
Глутамат – аминокислота и важная часть нашего организма. Это также нейротрансмиттер, который нервные клетки используют для общения, и формирует основу для некоторых основных функций мозга, таких как познание, память и обучение. Глутамат также важен для иммунной системы, функции желудочно-кишечного тракта и предотвращения проникновения микроорганизмов в организм.
Глутамат, или глутаминовая кислота, содержится в белках пищи, таких как мясо, почти во всех овощах, а также в пшенице и сое. Глутамат используется в качестве пищевой добавки для усиления вкусовых качеств, например, в форме глутамата натрия.
Ученые давно искали способность измерять активность и количество глутамата в клетках головного мозга. Глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором в мозге. Несмотря на его обилие и его влияние на многие важные функции, мы знаем о нем намного меньше, чем о других нейротрансмиттерах, таких как серотонин и дофамин, поскольку до сих пор его было трудно измерить.
Таким образом, новые данные о глутамате очень важны и могут помочь нам лучше понять патологию, лежащую в основе неврологических и психиатрических заболеваний и состояний. Взаимосвязь между глутаматом и заболеваниями, а также наша память, наш аппетит и многое другое – это лишь некоторые из вопросов, на которые может помочь ответить недавно разработанная учеными технология.
«У нас есть прекрасный пример того, как междисциплинарная фундаментальная наука может принести серьезные прорывы и реальную выгоду», – говорит Энн-Софи Канс (Ann-Sofie Cans), руководитель исследовательской группы.
Материалы и методы исследования
Вместо использования биосенсора, выполненного из толстых слоев, ученые использовали ультратонкий слой фермента, необходимый для биологической идентификации. Ученые сделали так, чтобы фермент, который был помещен на поверхность наноструктурированного сенсора, был просто тонкой молекулой. Это сделало сенсорную технологию в тысячу раз быстрее, чем предыдущие попытки.
Результаты научного исследования
Техника была достаточно быстрой, чтобы измерить высвобождение глутамата из одного синаптического пузырька (небольшого жидкого сосуда, который высвобождает нейротрансмиттеры в синапс между двумя нервными клетками). Это процесс, который происходит менее чем за одну тысячную секунды.
«Когда мы увидели преимущества улучшения сенсорной технологии с точки зрения времени, а не концентрации, тогда мы приступили к работе», – говорит Энн-Софи Канс.
Ученые внесли дальнейшие важные коррективы и новаторские открытия.
«После того, как мы построили датчик, мы могли бы доработать его. Теперь, с помощью данной технологии, мы также разработали новый метод количественного определения небольших количеств глутамата», – поясняет Энн-Софи Канс.
По пути у группы было много интересных сюрпризов. Например, было обнаружено, что количество глутамата в синаптической везикуле намного больше, чем считалось ранее. По количеству он сопоставим с серотонином и дофамином.
«Наше исследование меняет современное понимание о глутамате. Например, кажется, что транспортировка и хранение глутамата в синаптических пузырьках не так различны, как мы думали, по сравнению с другими нейротрансмиттерами, такими как серотонин и дофамин», – добавляет Анн-Софи Канс.
Ученые также выяснили, что нервные клетки контролируют силу своих химических сигналов, регулируя количество глутамата, выделяющегося из одиночных синаптических пузырьков. Тот факт, что мы можем теперь измерить и количественно оценить нейротрансмиттер, может дать новые инструменты для фармакологических исследований во многих жизненно важных областях нейробиологии.
«Уровень измерения, предлагаемый этим сверхбыстрым глутаматным датчиком, открывает бесчисленные возможности по-настоящему понять функцию глутамата для здоровья и болезней. Наши знания о функции мозга и его дисфункции ограничены имеющимися у нас экспериментальными инструментами, и новый сверхбыстрый инструмент позволит нам исследовать нейронную связь на уровне, к которому у нас раньше не было доступа», – говорит Каролина Патриция Скибицка (Karolina Patrycja Skibicka) из Гетеборгского университета (Gothenburg University).
Авторы другого исследования утверждают, что шизофрения приводит к уменьшению мозговых связей.
