Исследователи из Института фотонных наук ICFO выяснили, как нейроны ощущают и передают механические силы через клеточные мембраны — процесс, лежащий в основе осязания, движений и развития организма. С помощью высокоточных лазерных «оптических пинцетов» они показали, что напряжение распространяется быстрее в нейронах, отвечающих за прикосновение, чем в клетках, контролирующих движение.
Результаты демонстрируют, что расположение белков в мембране определяет, как далеко и с какой скоростью распространяются механические сигналы, формируя реакцию клетки на физические раздражители. Это открытие соединяет физику силы с биологией восприятия и закладывает основу для новых направлений в механобиологии.
Ключевые факты
- Карта распространения силы: учёные измеряли, как напряжение распространяется по мембране нейрона, используя оптические пинцеты с точностью до пикоНьютонов.
- Упорядоченные барьеры: регулярное расположение мембранных белков ограничивает распространение напряжения и делает реакцию на прикосновение более локальной.
- Прорыв в механобиологии: исследование связывает передачу механических сил с биохимическими сигналами, объединяя физику и нейробиологию.
Как нейроны «чувствуют» силу
Откуда у нас осязание? Почему кора мозга сворачивается в складки? Как эмбрион превращает механические сигналы в развитие тканей? На эти вопросы исследователи из ICFO и Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California San Diego) нашли важную подсказку.
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, команда под руководством профессора Майкла Крига (Michael Krieg) описывает, как нейроны червя Caenorhabditis elegans передают механическое напряжение через свои мембраны. Учёные сравнили два типа сенсорных клеток:
- тактильные рецепторы, быстро реагирующие на прикосновение;
- проприорецепторы, которые отслеживают положение и деформацию тела при движении.
Эксперимент с лазерной точностью
Чтобы «увидеть» распространение силы, исследователи применили оптические пинцеты — устройство, использующее сфокусированные лазерные лучи для манипуляции микроскопическими объектами. К аксонам нейронов прикрепили две микросферы и с высокой точностью измеряли, как натяжение, вызванное в одной точке, передаётся в другую — с разрешением до пикоНьютонов и миллисекунд.
Выяснилось, что в тактильных нейронах механическое напряжение распространяется быстрее, чем в проприорецепторах. Более того, решающую роль играет геометрия мембранных белков: если они расположены упорядоченно, сигнал распространяется на короткое расстояние; при хаотичном размещении — намного дальше.
Математическое моделирование, проведённое в лаборатории профессора Падмини Рангамани (Padmini Rangamani) в UC San Diego, подтвердило, что упорядоченные структуры ограничивают передачу силы, обеспечивая точную локализацию отклика. Такая избирательность помогает нейронам различать типы стимулов и формировать специфические сигналы, не затрагивая всю клетку.
«Разработка трёхмерной модели позволила объединить наблюдения и понять закономерности, скрытые за кажущейся случайностью данных. Это стало поворотным моментом для всей работы», — отметил профессор Криг.
Почему это важно
Локальное распространение механических сигналов помогает нейронам точно определять источник прикосновения и быстро реагировать на раздражители. Более широкое распространение, напротив, может обеспечивать координацию движений или сигнализацию на большие расстояния внутри клетки.
Профессор Ева Крейзинг (Eva Kreysing) из Кембриджского университета (University of Cambridge), комментируя исследование, отметила в Nature Physics:
«Это своевременная и важная работа. Понимание того, насколько локализовано или распространено мембранное напряжение, имеет ключевое значение для изучения того, как клетки регулируют свои функции».
Что дальше
Авторы намерены изучить, как клеточная мембрана взаимодействует с внешней средой и какие именно белки играют роль «препятствий». Они предполагают, что само натяжение мембраны может регулировать эти белки в виде обратной связи.
Исследование стало важным шагом к созданию единой картины того, как механические силы формируют нервные сигналы и, в конечном счёте, наше восприятие мира.
Литература.
“Obstacles regulate membrane tension propagation to enable localized mechanotransduction” by Frederic Català-Castro et al. Nature Physics
