معلومة

ما هي سرعة إطلاق الناقل العصبي وربط المستقبلات في المشبك العصبي؟

ما هي سرعة إطلاق الناقل العصبي وربط المستقبلات في المشبك العصبي؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

من الواضح أن الإشارات العصبية تنتقل بسرعات عالية للغاية ، لكنني أتساءل عن مدى تأثر هذه السرعة بإطلاق ووقت ربط الناقلات العصبية.

إذا كانت مصادري صحيحة ، فإن المحوار النخاعي جيدًا يولد جهد فعل بسرعة تقارب 119.807 م / ث. ما مقدار سرعة إطلاق الناقل العصبي بواسطة العصبون قبل المشبكي والارتباط بمستقبلات العصبون بعد المشبكي التي تؤثر على هذه السرعة؟ بعبارة أخرى ، أتساءل عن مدى تأثر السرعة الإجمالية للإشارة العصبية من خلية عصبية إلى أخرى بالوقت الذي تستغرقه الخلية الأولى في إطلاق الناقلات العصبية والخلايا العصبية الثانية لاستقبال الناقلات العصبية ونشر إمكانات فعلية داخلها. الخلية الخاصة.

أفترض أن الأمر يستغرق بعض الوقت على الأقل ، ولكن ما مقدار إبطاء الإشارة بالضبط؟

شكرا لإجاباتك.


يبدو أنه يعتمد على حجم الناقل العصبي. كلما زاد حجم الناقل العصبي ، كلما طالت مدة تحفيز العصبون لإطلاق الناقل العصبي. ولكن في حالة الأسيتيل كولين ، يبدو أنه يحتاج إلى حوالي 2 مللي ثانية فقط بعد التحفيز قبل المشبكي لتوليد إمكانات غشاء ما بعد المشبكي وبعد حوالي 5 مللي ثانية يتم شق كل الأسيتيل كولين في الفجوة المشبكية للسماح للخلية بعد المشبكي بإعادة الاستقطاب. يتم وصف المثال هنا.


مستقبلات في تطور وتطور الدماغ

المستقبلات في تطور وتطور الدماغ: المسألة في الاعتبار يقدم الدور الرئيسي للمستقبلات وروابطها المتشابهة في توصيل دماغ الثدييات من منظور علم الأحياء التطوري التطوري. يفحص وظيفة المستقبل في تطور وتطور الجهاز العصبي في دماغ الفقاريات الكبيرة ، ويناقش حركة العين السريعة النوم والاستماتة كآليتين لتدمير الخلايا العصبية المشوهة. كما تمت مناقشة الروابط المحتملة بين حالات العجز الغذائي وأمراض الاتصال بما في ذلك مرض الزهايمر وباركنسون والتصلب الجانبي الضموري. هذا الكتاب مفيد للغاية لأولئك المهتمين بعلوم الأعصاب الجزيئية والخلوية ، بما في ذلك الفروع المعرفية والسريرية لهذا الموضوع ، وأي شخص مهتم بكيفية بناء الدماغ البشري المعقد بشكل لا يصدق.

المستقبلات في تطور وتطور الدماغ: المسألة في الاعتبار يقدم الدور الرئيسي للمستقبلات وروابطها المتشابهة في توصيل دماغ الثدييات من منظور علم الأحياء التطوري التطوري. يفحص وظيفة المستقبل في تطور وتطور الجهاز العصبي في دماغ الفقاريات الكبيرة ، ويناقش حركة العين السريعة النوم والاستماتة كآليتين لتدمير الخلايا العصبية المشوهة. كما تمت مناقشة الروابط المحتملة بين حالات العجز الغذائي وأمراض الاتصال بما في ذلك مرض الزهايمر وباركنسون والتصلب الجانبي الضموري. هذا الكتاب مفيد للغاية لأولئك المهتمين بعلوم الأعصاب الجزيئية والخلوية ، بما في ذلك الفروع المعرفية والسريرية لهذا الموضوع ، وأي شخص مهتم بكيفية بناء الدماغ البشري المعقد بشكل لا يصدق.


شرح: ما هو النقل العصبي؟

يُظهر هذا الرسم المشبك و [مدش] المسافة بين خليتين. يوجد الدوبامين المرسال الكيميائي داخل الخلية العلوية. المستقبلات الموجودة في الخلية السفلية تنتظر استلامها.

المعهد الوطني لتعاطي المخدرات

شارك هذا:

17 يناير 2017 الساعة 7:05 صباحًا

عندما تحتاج خليتان عصبيتان إلى التواصل ، لا يمكنهما فقط النقر على كتف بعضهما البعض. هؤلاء الخلايا العصبية نقل المعلومات من أحد طرفي "الجسم" إلى الطرف الآخر كإشارة كهربائية صغيرة. لكن خلية واحدة لا تلمس أخرى في الواقع ، ولا يمكن للإشارات أن تقفز عبر المساحات الصغيرة بينهما. لعبور تلك الفجوات الصغيرة ، ودعا المشابك، فهم يعتمدون على النواقل الكيميائية. تُعرف هذه المواد الكيميائية باسم الناقلات العصبية. ودورهم في الحديث الخلوي يسمى ناقل عصبي.

يقول العلماء: الناقلات العصبية

عندما تصل إشارة كهربائية إلى نهاية الخلية العصبية ، فإنها تؤدي إلى إطلاق أكياس صغيرة كانت داخل الخلايا. تسمى الحويصلات ، وتحتوي الأكياس على رسل كيميائي مثل الدوبامين (DOAP-uh-meen) أو السيروتونين (Sair-uh-TOE-nin).

أثناء تحركه عبر خلية عصبية ، ستحفز إشارة كهربائية هذه الحويصلات. ثم تنتقل الحويصلات إلى - وتندمج مع - الغشاء الخارجي للخلية. من هناك ، يسكبون موادهم الكيميائية في المشبك.

ثم تطفو تلك الناقلات العصبية المحررة عبر الفجوة وتنتقل إلى خلية مجاورة. هذه الخلية الجديدة لديها مستقبلات مشيرا نحو المشبك. تحتوي هذه المستقبلات على جيوب ، حيث يحتاج الناقل العصبي إلى التوافق.

يرسو ناقل عصبي في المستقبل المناسب مثل المفتاح في القفل. وعندما تتحرك مادة كيميائية مرسال للداخل ، يتغير شكل المستقبلات. يمكن أن يفتح هذا التغيير قناة في الخلية ، مما يسمح للجسيمات المشحونة بالدخول أو الخروج. يمكن أن يؤدي تغيير الشكل إلى إجراءات أخرى داخل الخلية أيضًا.

إذا ارتبط المرسل الكيميائي بنوع معين من المستقبلات ، فسوف تتدفق الإشارات الكهربائية على طول خليته. هذا يحرك الإشارة على طول الخلية العصبية. لكن يمكن أيضًا أن ترتبط الناقلات العصبية بالمستقبلات التي تمنع الإشارة الكهربائية. سيؤدي ذلك إلى إيقاف الرسالة وإسكاتها.

تستمر القصة أسفل الفيديو.

يوضح هذا الفيديو كيف تتواصل الخلايا العصبية مع بعضها البعض.
تحدي علم الأعصاب

يتم نقل الإشارات لجميع أحاسيسنا - بما في ذلك اللمس والبصر والسمع - بهذه الطريقة. وكذلك الإشارات العصبية التي تتحكم في الحركات والأفكار والعواطف.

يستغرق كل مرحل من خلية إلى خلية في الدماغ أقل من جزء من المليون من الثانية. وسيتكرر هذا التتابع بقدر ما تحتاج الرسالة إلى السفر. لكن ليست كل الخلايا تتحدث بنفس السرعة. البعض يتحدثون ببطء نسبيًا. على سبيل المثال ، تتحرك الخلايا العصبية الأبطأ (تلك الموجودة في القلب والتي تساعد في تنظيم ضربات القلب) بسرعة حوالي متر واحد (3.3 قدم) في الثانية. الأسرع - الخلايا التي تستشعر وضعية عضلاتك وأنت تمشي أو تجري أو تكتب أو تقوم بالقلبات الخلفية - تتسابق بسرعة حوالي 100 متر في الثانية! أعط شخصًا ما يصل إلى خمسة ، وسيحصل المخ - على بعد حوالي متر - على الرسالة بعد جزء من مائة من الثانية.

كلمات القوة

زنزانة أصغر وحدة هيكلية ووظيفية للكائن الحي. عادةً ما تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة ، وتتكون من سائل مائي محاط بغشاء أو جدار. تتكون الحيوانات في أي مكان من آلاف إلى تريليونات من الخلايا ، حسب حجمها. تتكون بعض الكائنات الحية ، مثل الخمائر والعفن والبكتيريا وبعض الطحالب ، من خلية واحدة فقط.

غشاء الخلية يفصل داخل الخلية عن خارجها. يُسمح لبعض الجسيمات بالمرور عبر الغشاء.

المواد الكيميائية مادة تتكون من ذرتين أو أكثر تتحدان (تلتصقان ببعضهما البعض) بنسبة وبنية ثابتة. على سبيل المثال ، الماء مادة كيميائية تتكون من ذرتين هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة. رمزها الكيميائي هو H2يمكن أن تكون المادة الكيميائية أيضًا صفة تصف خصائص المواد الناتجة عن تفاعلات مختلفة بين مركبات مختلفة.

مراقبة جزء من تجربة لا يوجد فيها تغيير عن الظروف العادية. السيطرة ضرورية للتجارب العلمية. إنه يوضح أن أي تأثير جديد من المحتمل أن يرجع فقط إلى جزء الاختبار الذي قام الباحث بتغييره. على سبيل المثال ، إذا كان العلماء يختبرون أنواعًا مختلفة من الأسمدة في حديقة ، فإنهم يريدون أن يظل جزء منها غير مخصب ، كعنصر تحكم. ستظهر منطقتها كيف تنمو النباتات في هذه الحديقة في ظل الظروف العادية. وهذا يعطي العلماء شيئًا يمكنهم من خلاله مقارنة بياناتهم التجريبية.

لرسو السفن فعل الجمع وإدخال شيء في شيء آخر.

الدوبامين تساعد هذه المادة الكيميائية ، وهي ناقل عصبي ، في نقل الإشارات في الدماغ.

غشاء حاجز يمنع مرور (أو تدفق) بعض المواد حسب حجمها أو ميزات أخرى. الأغشية جزء لا يتجزأ من أنظمة الترشيح. يخدم الكثير منها نفس وظيفة الغطاء الخارجي لخلايا أو أعضاء الجسم.

مركب مجموعة ذرات متعادلة كهربائيًا تمثل أصغر كمية ممكنة من مركب كيميائي. يمكن أن تتكون الجزيئات من أنواع مفردة من الذرات أو من أنواع مختلفة. على سبيل المثال ، يتكون الأكسجين الموجود في الهواء من ذرتين من الأكسجين (O2) ، لكن الماء يتكون من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين (H2س).

الخلايا العصبية الخلايا الناقلة للاندفاع والتي تشكل الدماغ والعمود الفقري والجهاز العصبي.

ناقل عصبي مادة كيميائية يتم إطلاقها في نهاية خلية عصبية لنقل رسالة إلى خلية مجاورة. تنتقل هذه المادة الكيميائية عبر الفراغ بين خليتين ، ثم ترتبط بجزيئات في خلية مجاورة لنقل رسالة. يتم إطلاق النواقل العصبية من الخلايا العصبية ، ويمكن أن ترتبط بالخلايا العصبية أو بأنواع أخرى من الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تتكون منها العضلات أو الغدد.

مستقبل (في علم الأحياء) جزيء في الخلايا يعمل كمحطة إرساء لجزيء آخر. يمكن لهذا الجزيء الثاني تشغيل بعض النشاط الخاص للخلية.

السيروتونين مادة كيميائية موجودة في الدم تقيد الأوعية الدموية وتوصل الإشارات في الدماغ والجهاز العصبي.

تشابك عصبى الوصلة بين الخلايا العصبية التي تنقل الإشارات الكيميائية والكهربائية.

حويصلات أكياس صغيرة مملوءة بالسوائل داخل الخلايا. يمكن أن تحتوي هذه الأكياس على مواد كيميائية يمكن إطلاقها إما داخل الخلية أو خارجها.

اقتباسات

يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول النقل العصبي في هذه السلسلة من المعهد الوطني لتعاطي المخدرات.

حول بيثاني بروكشاير

كان بيثاني بروكشاير كاتبًا قديمًا في أخبار العلوم للطلاب. هي حاصلة على دكتوراه. في علم وظائف الأعضاء وعلم الصيدلة ويحب أن يكتب عن علم الأعصاب وعلم الأحياء والمناخ وأكثر من ذلك. إنها تعتقد أن Porgs هي من الأنواع الغازية.

موارد الفصل الدراسي لهذه المقالة مزيد من المعلومات

تتوفر موارد المعلم المجانية لهذه المقالة. سجل للوصول:


1 المقدمة

SUMOylation هو تعديل ديناميكي للغاية لما بعد الترجمة لبقايا اللايسين في البروتينات المستهدفة. يلعب ارتباط SUMOylation و deSUMOylation لبروتينات معينة أدوارًا رئيسية في مسارات الإشارات المشاركة في جميع جوانب الشكل والوظيفة العصبية تقريبًا (Henley، Craig، Wilkinson، 2014 Schorova & Martin، 2016). تم تمييز تعديل سومو للبروتينات النووية على نطاق واسع (Jentsch & Psakhye ، 2013) ، ولكن البروتينات المتعددة في المقصورات خارج النواة تخضع أيضًا لتعديل SUMO ، على الرغم من أن الفهم الدقيق لآليات وعواقب أحداث SUMOylation في كثير من الحالات لا يزال حتى الآن ، أقل رسوخًا (Luo et al. ، 2013).

كان هناك عدد من المراجعات والتعليقات حول SUMOylation للبروتينات خارج النواة في الخلايا العصبية ، مؤخرًا (Henley، Carmichael، Wilkinson، 2018). ومع ذلك ، فهذه منطقة سريعة الحركة في علم الأعصاب والعديد من البروتينات الجديدة التي لها صلة مباشرة بالوظيفة المشبكية والخلل الوظيفي تم تحديدها مؤخرًا و / أو التحقق من صحتها كأهداف SUMO.

نحن هنا نركز بشكل أساسي على SUMOylation من هذه البروتينات المشبكية والمرتبطة بالمشابك التي تم تحديدها مؤخرًا وأيضًا على الأهداف التي لم تتم تغطيتها على نطاق واسع في المراجعات السابقة. هذه ليست قائمة شاملة ، بل قمنا بترتيب ركائز SUMO في فئات من البروتينات وناقشنا كيف تضيف هذه النتائج الجديدة إلى فهمنا لكيفية تنظيم SUMOylation نطاقًا واسعًا من العمليات الفسيولوجية والفيزيولوجية المرضية في الخلايا العصبية.


Synaptotagmin هو مستشعر Ca 2 & # x0002b للانصهار المتشابك

بروتينات Synaptotagmin هي مرشح واضح لتنظيم الاندماج بوساطة SNARE استجابة لتدفق Ca 2 & # x0002b. Synaptotagmins هي عائلة من Ca 2 & # x0002b - بروتينات الغشاء الملزمة & # x02014 مع ما لا يقل عن 16 شكل إسوي في الثدييات & # x02014 ، تم العثور على العديد منها بكثرة عالية على سطح الحويصلات المشبكية (Yoshihara وآخرون، 2003 Bai & # x00026 Chapman ، 2004 Brunger ، 2005 Rizo وآخرون، 2006 تاكاموري وآخرون، 2006). بشكل أكثر تحديدًا ، يُشار إلى synaptotagmin I & # x02014 هنا باعتباره synaptotagmin & # x02014 هو مستشعر Ca 2 & # x0002b الرئيسي في الخلايا العصبية ، حيث يكون ضروريًا للاندماج السريع والمتزامن للحويصلات المتشابكة بعد تدفق Ca 2 & # x0002b (Geppert وآخرون، 1994 فرنانديز شاكون وآخرون، 2001 Yoshihara & # x00026 Littleton، 2002 Chapman، 2002).

تتكون Synaptotagmins بشكل عام من مجال غشاء أميني طرفي واثنين من Ca 2 & # x0002b - المنطقة المحفوظة 2 من نطاقات بروتين كيناز C (C2) (الشكل 1A Shao وآخرون، 1998 ساتون وآخرون، 1999 فرنانديز وآخرون، 2001). مجالات C2A و C2B مطوية بشكل مستقل & # x003b2-sandwich التي ترتبط بشكل تعاوني بأيونات Ca 2 & # x0002b ومنطقة مجموعة الرأس للغشاء. يبدو أن نطاقات C2 الخاصة بـ synaptotagmin ترتبط أيضًا بـ t-SNAREs الفردية ، ومجمع t-SNARE الثنائي ومجمعات v- / t-SNARE الثلاثية. تحدث هذه التفاعلات في مناطق الكربوكسي الطرفية والغشاء القريبة من SNAREs (Bai & # x00026 Chapman، 2004 Brunger، 2005 Bowen وآخرون، 2005 داي وآخرون، 2007 لي وآخرون، 2007). على الرغم من أن synaptotagmin تمت دراستها جيدًا ، إلا أن كليهما في الجسم الحي و في المختبر، لا تزال هناك العديد من الأسئلة والمناقشات الوظيفية المحددة ، بما في ذلك: التفاصيل الجزيئية للتفاعلات بين مجمعات synaptotagmin و SNARE ووجود وأدوار حالات تعدد القلة المختلفة لـ synaptotagmin الأهمية النسبية لـ C2A مقارنة بمجال C2B والعواقب الوظيفية لربط الفوسفوليبيد (باي & # x00026 تشابمان ، 2004 Rizo وآخرون، 2006). علاوة على ذلك ، فإن الآلية الجزيئية التي يؤدي بها synaptotagmin-Ca 2 & # x0002b إلى اندماج الغشاء لا تزال غير واضحة.


احصل على حق الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


طبيعة سجية شكر S. Sigrist و X. Zhuang والمراجع (المراجعين) المجهولين الآخرين على مساهمتهم في مراجعة النظراء لهذا العمل.

البيانات الموسعة الشكل 1 ترشيح المواضع والخوارزمية التلقائية للكشف عن المحور المشبكي.

أ، مخطط مبعثر لعرض الذروة المجهزة بـ ذ (دبليوذ) ضد ذلك في x (دبليوx). يرمز اللون إلى الموضع ض. تنشأ جميع عمليات التعيين بعيدًا عن هذه المنطقة ذات الكثافة المركزية من قمم متعددة متداخلة أو سيئة التجهيز ويجب رفضها. ب، الاهليلجيه (دبليوx/دبليوذ) وفرق العرض (دبليوx - دبليوذ) شكلت علاقة خطية تقريبية عندما دبليوx & GT دبليوذ (صندوق منقط). ج، قمنا بتركيب النسب بين الإهليلجيه وفرق العرض على المقامات بوظائف متعددة الحدود من الدرجة الثالثة (الخط الأسود) ورفضنا جميع التعيينات من فواصل الثقة 95٪ (الخطوط الرمادية) للمنحنى (& gt1.96 × sd). تم تطبيق نفس المعايير على الجزء الآخر من عمليات الترجمة باستخدام دبليوx & lt دبليوذ. د، نفس مخطط التشتت كما في أ بعد رفض جميع المواقع المنتشرة (حوالي 20-25٪). ه, F، قام بروتوكول التصفية بمسح معظم التعيينات من قمم متداخلة متعددة أو قمم غير ملائمة ، بما في ذلك معظم تعريب الخلفية غير ذات الصلة (ه) وتلك التي تمت معايرتها بشكل سيئ ض مناصب (F). أشرطة مقياس ، 2 ميكرومتر (ه) و 200 نانومتر (F). المشبك في F يتوافق مع المشبك في محاصر ه. ز، قسم ثنائي الأبعاد من خلال مركز مصفوفة توزيع ثلاثية الأبعاد معقدة من المشبك. ح، ضبط كثافة الذروة للمصفوفة على ربع متوسط ​​كثافة الجزيء للمجموعة المشبكية. أنا، قسم ثنائي الأبعاد في نفس موضع المصفوفة ثلاثية الأبعاد للارتباط المتبادل المباشر للقناتين (المعادلة (3) في الطرق). ج هي مركز المصفوفة ، و أ هي ذروة الارتباط المتبادل. يك، أفضل تداخل بين المجموعتين المشبكيتين بعد نقل PSD-95 في مساحة ثلاثية الأبعاد على طول المتجه. ل، مخططات مبعثرة ثلاثية الأبعاد للمشبك في زاويتين مختلفتين للعرض. يشير السهم إلى المتجه ويمثل الخط الممتد (المنقط) المحور المشبكي. م، مؤامرة ثلاثية الأبعاد للمحور المشبكي المكتشف عندما تم اختيارهم بصورة عشوائية مواضع القمم عالية الكثافة في RIM1 / 2 (مجموعات النانو) داخل الكتلة المشبكية. تم إجراء هذه المحاكاة 35 مرة ، ولكن تم تقديم 10 نتائج تمثيلية فقط لتجنب التداخل. يشير اللون الأحمر إلى المحور المشبكي للمجموعة المتشابكة الأصلية. ن، متوسط ​​المسافة بين المكتشف جن مواقف من 35 عناقيد مقلدة إلى ج موضع المجموعة الأصلية. البيانات المعروضة في يعني ± sd. تؤكد هذه المسافة & lt6 نانومتر أن القمم عالية الكثافة لها تأثير ضئيل على اكتشاف المحور التشابكي في هذه الطريقة. ا، توزيع جميع المواقع على طول المحور المشبكي بحجم حاوية 10 نانومتر. يمكن قياس المسافة من الذروة إلى الذروة بين زوج البروتين المشبكي من هذا التوزيع. صص، توزيع مسافات الذروة إلى الذروة لثلاثة أزواج من البروتينات المشبكية.

البيانات الموسعة الشكل 2 التنظيم النانوي لبروتينات آلية إطلاق الحويصلة في المنطقة النشطة ومستقبلات AMPA بعد المشبكي.

أ, مقابل للوجه (أعلى) وجانبي (أسفل) خرائط الكثافة المحلية لمشبك محاكاة مع مجموعات نانوية اصطناعية بأقطار 40 نانومتر. شريط مقياس ، 100 نانومتر. ب، وظيفة الارتباط التلقائي للمجموعات المحاكاة ذات الأحجام النانوية المختلفة. تمثل النقاط نصف القطر حيث ز(ص) = 1. ج، البيانات المجمعة من 15 مجموعة من المحاكاة تبين أن نصف القطر حيث ز(ص) أولاً ، تقدر التقاطعات 1 بشكل معقول متوسط ​​أقطار العنقود النانوي. د، مقارنة عدد العنقود النانوي ، وجزء التوطين في العنقود النانوي ، وحجم العنقود النانوي عبر مراحل النمو المختلفة لا تظهر فرقًا كبيرًا ، على الرغم من أن الأيام التسعة الأولى في المختبر (DIV) تُظهر ثقافة (DIV) اتجاهًا نحو زيادة أعداد العنقود النانوي (ANOVA أحادي الاتجاه على الرتب لعدد وحجم العنقود النانوي ، ANOVA أحادي الاتجاه لتوطين النسبة المئوية في العنقود النانوي). كانت البيانات من 143 مجموعة نانوية RIM و 135 مجموعة نانوية PSD من 64 مشابك كهربائية DIV 9 ، و 63 مجموعة نانوية RIM و 65 مجموعة نانوية PSD لـ 38 DIV 14 المشابك ، و 44 RIM nanoclusters و 41 مجموعة نانوية PSD من 28 DIV 21 المشابك. ه، مقارنة بين اثنين من الأجسام المضادة RIM (من اليسار إلى اليمين) في حجم الكتلة المتشابك بالكامل ، وعدد العناقيد النانوية ، ووظيفة الارتباط التلقائي التي تقدر متوسط ​​قطر الكتلة النانوية ، وكثافة البروتين بالنسبة لمراكز مجموعة النانو PSD-95. يستهدف Anti-RIM1 / 2 (Synaptic Systems # 140-203) مجال إصبع الزنك ويستهدف Anti-RIM1 مجال PDZ الخاص بـ RIM1 (أنظمة Synaptic # 140-003). تشير هذه الاختبارات إلى أنه لا يوجد فرق كبير بين هذين الأجسام المضادة. تشير الأرقام الموجودة في الأشرطة إلى أحجام المجموعة. F، خرائط الكثافة المحلية مقابل للوجه (أعلى) وجانب (أسفل) وجهات نظر مثال كتلة Munc13. شريط النطاق ، 200 نانومتر. ز، وظائف الارتباط التلقائي لتوزيعات Munc13 مقارنةً بالتوزيعات العشوائية المحاكاة. ح, أناوخرائط الكثافة المحلية ومجموعة ACF من BSN. شريط النطاق ، 200 نانومتر. ي، مجلدات الكتلة المجمعة ، تم تطبيعها إلى مجلدات PSD-95 داخل كل المشبك. يمثل كل زوج شريط بيانات من مجموعة تلطيخ RIM1 / 2-PSD-95 أو Munc13-PSD-95 أو BSn-PSD-95. تشير الأرقام الموجودة في الأشرطة إلى أحجام المجموعة. ك، توزيع لل مقابل للوجه المسافات بين مركز العنقود النانوي ومركز المشبك. تم تطبيع البيانات لتوزيع العناقيد المحاكاة بنفس عدد العناقيد النانوية مثل المشبك الأصلي ولكن المواضع العشوائية. ل، مثال مشابك مع تلطيخ RIM1 / 2 و Munc13 لنفس المشبك ، كما هو موضح في زاويتين مختلفتين. تمثل الأسطح الشفافة أشكال ألفا التي تحدد حدود الكتلة المشبكية. م، وحدات التخزين المجمعة RIM1 / 2 و Munc13 ، التي تم تطبيعها إلى RIM1 / 2 داخل كل مشبك. ن، وحدات التخزين المجمعة RIM1 / 2 ، Munc13 و Bsn من تلطيخ RIM1 / 2-Bsn و Munc13-Bsn ، تم تطبيعها إلى BSn داخل كل مشابك. *ص & lt 0.05 ***ص & lt 0.001 اختبار تصنيف موقع ويلكوكسون. †ص & lt 0.05 ، ANOVA أحادي الاتجاه في الرتب مع إجراءات المقارنة الزوجية (طريقة دان). ا، خريطة الكثافة المحلية لمجموعة GluA2. ص، وظائف الارتباط التلقائي لتوزيعات GluA2 مقارنةً بالتوزيعات العشوائية المحاكاة. ف، خريطة الكثافة المحلية لمجموعة GluR2 / 3. ص، وظائف الارتباط التلقائي لتوزيعات GluR2 / 3 مقارنةً بالتوزيعات العشوائية المحاكاة. تكررت جميع التجارب ≥3 مرات.

البيانات الموسعة الشكل 3 من غير المحتمل أن تكون العناقيد النانوية المكتشفة نتيجة لتمييز القطع الأثرية أو زيادة عدد الجزيئات.

أأنا، مقارنة بين PSD-95 المسمى بالأجسام المضادة الأولية أحادية النسيلة المرتبطة مباشرة بصبغة Alexa647 (1 ° -A647 ، أحمر) مع نفس الجزيئات الموصوفة بالأجسام المضادة الأولية والثانوية المرتبطة بـ Cy3 (1 ° -2 ° -Cy3 ، أزرق) كما هو موضح في ج. أ, ب، مقارنة بين مجموعات صغيرة غير متشابكة من التوطين الناشئة عن الأجسام المضادة الأولية المعزولة والأجسام المضادة الثانوية. التخطيطي مبين في أ. الانحراف المعياري للترجمة في كلا المجموعتين على طول أبعاد مختلفة (ن = 32 لـ A647 ن = 36 لـ Cy3) في ب. أظهر نوعا مجموعات الترجمة تباينًا مشابهًا في جميع الأبعاد. د، خرائط الكثافة المحلية لنفس مجموعة PSD-95 المسمى بـ 1 ° -A647 (أعلى) و1 ° -2 ° -Cy3 (وسط) والتوزيع المتداخل لـ 1 ° -A647 و 2 ° -Cy3 مع الكشف عن عناقيد نانوية مظللة في الظلام الألوان (أسفل). شريط النطاق ، 200 نانومتر. ه، الارتباط التلقائي للمجموعات المشبكية المسمى بـ 1 ° -A647 و 1 ° -2 ° -Cy3. F، الارتباط التلقائي لمجموعات صغيرة معزولة من الأصباغ A647 و Cy3. ز، مقارنة نصف القطر الذي عبرت عنده وظيفة الارتباط التلقائي مع المستوى العشوائي (ز(ص) = 1). لم يكن هناك فرق بين مجموعات PSD-95 ذات طرق وضع العلامات المختلفة ، ولكن ص(0) لمجموعات التوطين المعزولة كانت أقل بكثير من ص(0) لمجموعات PSD-95. **ص & lt 0.01 ، ر-اختبار بين القضبان المعبأة والمفتوحة من نفس اللون. ح، لم تظهر العناقيد النانوية المكتشفة في كلتا القناتين أي اختلاف في العدد أو الحجم أو جزء العناقيد النانوية المخصبة بترجمات من القناة الأخرى. أنا، إثراء البروتين للترجمات المكتشفة في كل قناة مع تلك الموجودة في القناة الأخرى (ن = 32 المشابك). توضح هذه النتائج أن العناقيد النانوية التي اكتشفناها في دراستنا لم تكن بسبب تجميع العديد من الأجسام المضادة الثانوية للأجسام المضادة الأولية. يص، تم تصنيف الخلايا المنقولة باستخدام ضربة قاضية-إنقاذ- PSD-95-GFP بأجسام نانوية ضد GFP مترافق بنسبة 1: 1 مع Atto647 (Nb-At647 ، أحمر) والأجسام المضادة الأولية / الثانوية ضد PSD-95 (1 ° -2 ° -Cy3 ، أزرق) كما هو مبين في ل. ي, ك، مقارنة بين مجموعات صغيرة غير متشابكة من التعريب الناشئة عن معزولة Nb-At647 و1 ° -2 ° -Cy3 (كما هو موضح في ي, ن = 26 و 28 على التوالي). ك، أظهرت الأجسام النانوية حجمًا أصغر بكثير من الأجسام المضادة. ***ص & lt 0.001 ، اتجاهين ANOVA ، †ص & lt 0.05، ††ص & lt 0.01 ، مقارنة زوجية (اختبار Tukey) بين الأجسام النانوية والأجسام المضادة. مص، مقارنة مماثلة في دأنا بين مجموعات PSD-95 المسمى بـ Nb-At647 و 1 ° -2 ° -Cy3 (ن = 13 المشابك). شريط النطاق ، 200 نانومتر. بشكل عام ، أوضحت هذه النتائج أن العناقيد النانوية التي اكتشفناها في دراستنا لم تكن على الأرجح نتيجة للقطع الأثرية لربط الأجسام المضادة ووضع العلامات عليها. كما أن الفرق بين حجم مجموعات التعريب المعزولة ومجموعات PSD-95 المحسوبة عن طريق الارتباط التلقائي يجادل أيضًا ضد احتمال أن العناقيد النانوية التي اكتشفناها كانت بسبب التبديل المتكرر لواحد أو عدد قليل من الفلوروفورات. **ص & lt 0.01 ، ر-اختبار بين القضبان المعبأة والمفتوحة من نفس اللون. س، مثال مشابك مع مجموعات النانو التي تم تسليط الضوء عليها قبل (العلوي) وبعد (السفلي) إزالة المواضع الناتجة عن الفلوروفورز دائم لإطارات متعددة. شريط مقياس ، 100 نانومتر. ر، وظيفة الارتباط الذاتي المقترنة للعناقيد المشبكية مع وبدون جزيئات متعددة الإطارات. ص = 0.77, ن = 25 نقطة الاشتباك العصبي لـ RIM1 / 2 ص = 0.58, ن = 25 نقطة الاشتباك العصبي لـ PSD-95 ، ANOVA ثنائي الاتجاه مع القياسات المتكررة. ش، أزال التتبع 13 ± 8٪ و 17 ± 9٪ من التعيينات لـ RIM1 / 2 و PSD-95 ، على التوالي ، لكن لم يكن له تأثير كبير على نتائج وظيفة الارتباط التلقائي ، أو أرقام الكتلة النانوية ، أو أحجام الكتلة النانوية. **ص & lt 0.01 ***ص & lt 0.001 NS ، ص & gt 0.05 اختبار تصنيف موقع ويلكوكسون. تم تجميع جميع البيانات من النسخ المتماثلة ≥3.

البيانات الموسعة الشكل 4 1AP المستحث هو [Ca 2+] يعتمد بشكل رئيسي على الحالة الفردية 48.

أ، مثال على إشارات التألق في حبة واحدة عبر التجارب المتكررة لتحفيز محتمل للعمل. ب، تزداد آثار حدث واحد من مضان vGpH بعد محفزات محتملة فعلية واحدة في المعيار (2 مم) أو خارج الخلية [Ca 2+] (4 مم). ج، مقارنة توزيعات تغيرات التألق في 2 مم (ن = 233/27) و 4 ملم (ن = 115/12) خارج الخلية [Ca 2+] ، بالنسبة لتوزيعات الضوضاء التي تم الحصول عليها من الإطارات الأساسية قبل التحفيز. د، مقارنة توزيعات طرح الضوضاء للتغيرات الفلورية في مختلف [Ca 2 +]. ه، تزداد الصور المُعالجة من مضان vGpH بعد محفزات محتملة للعمل من ثلاث تجارب عشر تجارب على حدة. F، الكشف التلقائي باستخدام pHuse للأحداث الموضحة في ه. ز، يزيد الإسقاط الإجمالي للإطار وخلفية مضان vGpH المطروح من أكثر من 60 تجربة. ح، تعريب الأس الهيدروجيني على Syn1a (أبيض). أنال، مثل هح للأحداث العفوية في TTX على مدى 5 دقائق. ن تعطى في المشابك / التجارب.

البيانات الموسعة الشكل 5 يكشف الرقم الهيدروجيني عن الاختلافات بين مناطق الانصهار المستحثة والعفوية.

أ، مقارنة التردد العفوي المقاس قبل المشبكي باستخدام vGpH (ن = 77/22) وبعد المشبكي باستخدام GCaMP6f (المرجع 45) (ن = 61/5), ر = 1.02 ، ليست كبيرة. ب، متوسط ​​مناطق الحزم عبر المجموعات ، ر = 0.87 ، ليست كبيرة. ج، التوزيعات التراكمية لمناطق الاندماج للإطلاق التلقائي والمستحث (اختبار Kolmogorov-Smirnov ، *د = 0.23) د، التوزيعات التراكمية لمناطق الاندماج الطبيعية لـ 1 AP أثارت الاندماج باستثناء الأحداث مع تعداد الفوتون & gt يعني + 2 sd. من الأحداث العفوية (ن = 91/27) مقارنة بجميع الأحداث المستحثة (ن = 104/28 اختبار كولموغوروف سميرنوف ، د = 0.05 ، غير مهم) وأحداث عفوية (ن = 77/22 اختبار كولموغوروف سميرنوف *د = 0.25) ه, F، على وجه الخصوص ، أثناء استحضارها صص كان مرتبطًا بشكل إيجابي بشكل كبير بمنطقة Syn1a ، كما ورد سابقًا 49 ، لم يُظهر تردد الحدث التلقائي أي علاقة بمنطقة Syn1a (ه، تناسب خطي ، مذكَّر **ر = 0.30 تلقائي ر = 0.12 ، ليست كبيرة). من ناحية أخرى ، كل من تردد الحدث العفوي واستثاره صص يرتبط بشكل إيجابي مع منطقة الأس الهيدروجيني (F، تناسب خطي ، مذكَّر ***ر = 0.64 ، تلقائي ***ر = 0.60). يشير هذا إلى أن منطقة الأس الهيدروجيني قد تكون تقريبًا أفضل لمنطقة المنطقة النشطة والمعلمات الوظيفية لمشبك أكثر من منطقة بوتون. ز، لا تظهر منطقة الأس الهيدروجيني الطبيعية كدالة لعمر الخلية أي ارتباط مهم (أثار ر = 0.03 ، عفوية ، ليست كبيرة ر = 0.004 ، ليست كبيرة). هز, نأثار = 104/28, نعفوية = 77/22. ح. لم تكن منطقة الأس الهيدروجيني الطبيعية مختلفة بشكل كبير في درجة حرارة الغرفة (نأثار = 51/10, نعفوية = 32/7) مقابل درجة الحرارة الفسيولوجية (نأثار = 35/9, نعفوية = 34/4) ضمن أنماط الإصدار ولكنها لا تزال تختلف اختلافًا كبيرًا بين أوضاع الإصدار. أنا، لم تكن منطقة الأس الهيدروجيني الطبيعية مختلفة بشكل كبير عند عتبات مختلفة لـ Syn1a ضمن أوضاع الإصدار ولكنها لا تزال مختلفة بشكل كبير بين أوضاع الإصدار (ن = 51/10). ي، يعد كل من عدد الأحداث وطريقة الإطلاق عاملين مهمين لمنطقة الأس الهيدروجيني ، لكن ليس لديهم تفاعل كبير نأثار = 155/38, نعفوية = 109/29. ل أنا, ي، انظر الجداول التكميلية للإحصاءات. ن تعطى في المشابك / التجارب ، *ص & lt 0.05 **ص & lt 0.01 ***ص & lt 0.001.

البيانات الموسعة الشكل 6 يحدد RIM1-mEos3.1 PALM العناقيد النانوية.

أ، تشترك الخلايا العصبية في التعبير عن RIM1-mVenus (هدية من P. Kaesar) و Syn1a-CFP إلى نفس الحزم. تُظهر اللوحات اليمنى تكبيرًا للمساحات داخل المربعات البيضاء. أشرطة مقياس ، 5 ميكرومتر (يسار) و 1 ميكرومتر (يمين). ب. الخلايا العصبية التي تعبر عن RIM1-mVenus المناعي لـ RIM1 / 2 و BSn. تشير رؤوس الأسهم إلى بعض المناطق النشطة المتجمعة. شريط النطاق ، 2 ميكرومتر. ج، تُظهر شدة التألق المناعي للخلايا المنقولة التي تم تطبيعها للخلايا غير المنقولة القريبة 3.74 ± 0.11 ضعف زيادة التعبير عن RIM و 1.24 ± 0.03 ضعفًا في BSn (ن = 262 نقطة الاشتباك العصبي / 7 خلايا). د، توزيع عدد الفوتون لـ RIM1-mEos3.1 (3997 توطين). ه، تم تصور نفس الحزم الموضحة في الشكل 2 باستخدام 5 × كثافة الجار الأقرب (NND) كمقياس للكثافة المحلية. Fح، التوزيعات التراكمية للقطر والمساحة والعدد للكتل النانوية PALMed RIM1 ، تم تحديدها بشكل محترم باستخدام تحليل Tesseler المكيّف وتحليل 5 × NND (ن = 65/13). أنا، كثافة توطين RIM1 كدالة للمسافة الشعاعية من مواقع الأس الهيدروجيني. (انظر الجداول التكميلية للإحصاءات.) ي، متوسط ​​المسافة من مواقع الأس الهيدروجيني كدالة للكثافة المحلية المقاسة بـ 5 × NND (البيانات الأولية ***ر = 0.23, ن = 26/13). ك، نسبة توطين الأس الهيدروجيني ضمن 40 نانومتر من توطين RIM1 كدالة للكثافة المحلية RIM1 المقاسة بـ 5 × NND (***ر = 0.35). ن تعطى في المشابك / التجارب ما لم ينص على خلاف ذلك ، ***ص & lt 0.001.

البيانات الموسعة الشكل 7 تخصيب البروتين داخل الأعمدة النانوية.

أ، مؤشر الإثراء بين RIM1 / 2 و PSD-95. الأشكال الداخلية اليسرى عبارة عن نسخ متماثلة من الشكل 3 هـ ، ويتم تعريف مؤشر التخصيب على أنه متوسط ​​الصناديق الثلاثة الأولى في ملف تعريف التخصيب (محاصر) ، أي كثافة التوطين الطبيعية في حدود 60 نانومتر من مركز الإسقاط لمجموعة نانوية معينة. تُظهر النقاط المملوءة RIM1 / 2 بالنسبة إلى مجموعات النانو PSD-95 ، والنقاط المفتوحة تُظهر PSD-95 بالنسبة إلى التجمعات النانوية RIM1 / 2. نفس التوزيعات العشوائية كما في الشكل 3 هـ وتم وصفها مرة أخرى في ب. **ص & lt 0.01 ***ص & lt 0.001 ، ANOVA أحادي الاتجاه في الرتب مع إجراءات المقارنة الزوجية (طريقة دان). ب، يكون جزء الكتلة النانوية المخصبة أعلى بكثير من مستوى الصدفة ، ويعتمد أيضًا على الموضع النسبي لمجموعتي العناقيد النانوية. ج, دوالجانب و مقابل للوجه مناظر لزوج متشابك Munc13 و PSD-95 وزوج متشابك BSn و PSD-95 مع مجموعات نانوية مميزة. شريط النطاق ، 200 نانومتر. ه، مؤشر الإثراء المجمع لثلاثة بروتينات منطقة نشطة و PSD-95. شريط النطاق ، 200 نانومتر. تُظهر النقاط المملوءة بروتينات المنطقة النشطة بالنسبة إلى مجموعات النانو PSD-95 ، والنقاط المفتوحة تُظهر PSD-95 بالنسبة إلى التجمعات النانوية لبروتين المنطقة النشطة. **ص & lt 0.01 ***ص & lt 0.001 ، ANOVA أحادي الاتجاه في الرتب مع إجراءات المقارنة الزوجية (طريقة دان). F، مثال على RIM1 / 2 و PSD-95 في شرائح الحصين البالغة. ز، وظائف الارتباط التلقائي لـ RIM1 / 2 و PSD-95 (ن = 192 و 43 نقطة الاشتباك العصبي ، على التوالي). كان هناك ، في المتوسط ​​، 2.02 ± 0.08 و 1.32 ± 0.21 نانوكلاستر بحجم (3.6 ± 0.2) و (4.2 ± 0.7) × 10 5 نانومتر 3 لـ RIM1 / 2 و PSD-95 ، على التوالي. باستثناء عدد الكتلة النانوية PSD الذي كان أقل بكثير من ذلك في الثقافات (ص = 0.03) ، كانت جميع المعلمات الأخرى متشابهة (اختبار تصنيف موقع Wilcoxon). ح، ملف التخصيب بين RIM1 / 2 و PSD-95 في شرائح الأنسجة (28 نقطة الاشتباك العصبي من 7 أقسام ، 4 حيوانات). *ص & lt 0.05 بين نقاط الاشتباك العصبي المُقاسة والعشوائية ، تحليل ANOVA ثنائي الاتجاه مع إجراءات المقارنة الزوجية (طريقة دان).

البيانات الموسعة الشكل 8 يمكن أن يؤدي الإصدار المفضل في الأعمدة النانوية إلى زيادة قوة التشابك.

أ، رسم تخطيطي للنهج الحتمي المقيّد تجريبياً المستخدم لدراسة اعتماد القوة المشبكية على التوزيع المكاني لمواقع الإطلاق و AMPARs. تم رسم توزيع موقع الإطلاق المحاكي عند المشبك من مواضع RIM المقاسة ومتوسط ​​العلاقة المقاسة بين كثافة RIM ومواقع الأس الهيدروجيني (الشكل 2). ب، توزيعات مواقع RIM المقاسة داخل حدود منطقة نشطة واحدة (منطقة نشطة) (رمادية) ، ونفس المجموعة مع مواضع عشوائية للمجموعات الفرعية المشار إليها من الجزيئات. ج، خرائط الكثافة المحلية RIM طبيعية للكثافات الكلية داخل المناطق النشطة. د، خرائط الكثافة الاحتمالية لمواقع الإطلاق المحتملة بالنظر إلى حدوث الإصدار. ه، توزيعات مواقع GluA2 / 3 داخل حدود PSD (رمادي) لنفس المشبك المُقاس (تشير القطع الناقصة إلى هذا التوزيع) والعشوائية. F، خرائط لجزء من القنوات المفتوحة عند ذروة الاستجابة لكل إصدار متوسط ​​من المناطق النشطة المعنية فوقها مباشرة في د. زالقنوات المفتوحة المحسوبة في ذروة الاستجابة ، ن = 20 توزيعًا جزيئيًا عشوائيًا. انظر الطرق لمزيد من التفاصيل.

البيانات الموسعة الشكل 9 إثراء بروتينات السقالات الأخرى داخل الأعمدة النانوية.

أ، إثراء Homer1 بـ PSD-95 nanoclusters ، ن = 118 nanoclusters من 48 مشابكًا عصبية ، مقياس 100 نانومتر. ب، تخصيب RIM1 / 2 إلى العنقود النانوي شانك ، ن = 80 نانوكلاستر من 32 مشابك عصبية. شريط النطاق ، 200 نانومتر. *ص & lt 0.05 ، ANOVA في الرتب مع إجراءات المقارنة الزوجية (طريقة دان) في أ و ب. ج، كثافات GKAP2 و Shank3 (يتم تحديدها باستخدام STORM ، ن = 6 و 12 ، على التوالي) داخل PSD-95 nanoclusters (تم تحديدها باستخدام PALM لاستبدال ضربة قاضية منقولة- PSD-95-mEos2) تم تطبيعها إلى كثافة PSD الإجمالية. أظهر كلا البروتينين إثراءً كبيرًا في PSD-95 nanoclusters ، *ص & lt 0.05 ، إقران ر- الاختبارات. د، تصوير STORM ثلاثي الألوان لـ RIM1 / 2 و GKAP1 و PSD-95 على نفس مثال المشابك (يسار) وملامح تخصيب البروتين لـ RIM1 / 2 و GKAP1 فيما يتعلق بـ PSD-95 nanoclusters (يمين) ، ن = 32 nanoclusters من 17 نقطة الاشتباك العصبي. شريط النطاق ، 200 نانومتر. ه، مؤشرات تخصيب RIM1 / 2 و GKAP1 بالنسبة إلى العناقيد النانوية PSD-95. Colour-coded bars represent the same set of randomizations as performed in Fig. 3c: orange denotes randomization of only out-of-nanocluster localizations, cyan denotes randomization of nanocluster positions within synaptic clusters and grey denotes randomization of all localizations. F, The percentage of PSD-95 nanoclusters that were enriched with GKAP1, RIM1/2 or both with colour-coded randomizations. *ص & lt 0.05 **ص < 0.01, ANOVA on ranks with pairwise comparison procedures (Dunn’s method), ن = 32 nanoclusters from 17 synapses in 7 different cultures. ز, Schematic summary of the distribution of synaptic proteins within nanocolumns. The distributions of colour-coded proteins are based on our results and the proteins in grey are hypothetical, some, such as Ca 2+ channels, have been suggested previously to be clustered 49,50 . All experiments were repeated ≥5 times.

Extended Data Figure 10 Plasticity within nanocolumns.

أ, Changes in the localization density within RIM1/2 (red) and PSD-95 (blue) nanoclusters under control, 5 min NMDA treatment, 25 min washout, and NMDA + AP5 treatment conditions. بح, Reorganization of RIM1/2 and GluR2/3 under control, 5 min NMDA treatment, 25 min washout conditions examples (ب), comparison of whole synaptic cluster sizes (ج), nanocluster number per synapse (د), localization density within nanoclusters (ه), enrichment indices (F), percentage of nanoclusters that were enriched (ز), and nanocluster volumes (ح). Note that similar to the results from the RIM1/2-PSD-95 analyses, only those RIM1/2 nanoclusters that were enriched with GluR2/3 (dark red) were increased in volume. *ص & lt 0.05 **ص < 0.01, ANOVA on ranks with pairwise comparison to control group (Dunn’s method), and χ 2 test for the proportion. Data from 62, 21 and 37 nanoclusters from 34, 18 and 24 synapses for control, NMDA, and washout, respectively. أنا, Colour-coded local density map of an example live-PALMed PSD-95 cluster before and after NMDA treatment. Scale bar, 100 nm. ي, ك, Changes in PSD-95 nanocluster area induced by NMDA and blocked by AP5 (ن = 28 and 21, respectively). **ص < 0.01, NS, not significant, paired ر-اختبار. لن, LTP stimulation induced changes in nanocluster volumes (ل), localization density within nanoclusters (م) and nanocluster numbers (ن). *ص < 0.05, ANOVA on ranks with pairwise comparison to control group (Dunn’s method). All experiments were repeated ≥5 times.


Principle (agonist)

Normally neurotransmitters cross the synaptic gap and bind with postsynaptic receptors, which are activated to open ion channels with the result that the post-synaptic neuron is either fired or inhibited. Drugs can act to replace neurotransmitters, binding with the postsynaptic receptors to complete the neuron-to-neuron communication.

Normal neurotransmitter activity still happens, resulting in a significantly increased chance of stimulating the post-sypnaptic neuron.

Nicotine works this way, docking with acetylcholine receptors to increase stimulation.


نتائج

SNARE-SM Model Dynamics.

The SNARE-SM model has three operating modes. تين. 3أ shows a presynaptic terminal, which encloses the SNARE-SM model’s signaling mechanism. The black arrows labeled p 1 and p 2 span the 2D space within which the protein complexes interact. This space is not physical, but rather a phase-space where protein functions take place and the values of p 1 and p 2 represent the levels of activity between protein complexes. The line Γ 1 and the parabola Γ 2 , called the fast nullclines, indicate the regions in which the functions of the protein complexes are quasistationary (Fig. 3أ و SI Appendix, Fig. S1ج). The line Γ 1 is stable to the left of the transition point TC , and the parabola Γ 2 is stable above the transition point SN . Past the transition points, the fast nullclines become unstable (Fig. 3أ و SI Appendix, Fig. S1ج, dashed lines). For clarity, the slow nullclines are not displayed (SI Appendix).

The stability of the fast nullclines is assessed by looking at the mathematical limit of the model when p 1 is kept constant ( ε = 0 ) (details are provided in SI Appendix). In this limit, the only variable left is p 2 , and p 1 acts as a parameter the equilibrium states lie on the fast nullclines, and their stability depends on the parameter p 1 and change at bifurcation points SN and TC . Under normal operating conditions ( ε > 0 ), p 1 evolves slowly the points SN and TC are not bifurcation points of the model any longer however, they still organize dynamic transitions between different levels of quasistationary activity close to Γ 1 and Γ 2 . Moreover, the SNARE-SM model possesses two true stationary states, marked S and U (Fig. 3أ و SI Appendix, Fig. S1ج), which endow it with an excitable structure.

An exocytotic signal (Fig. 3أ, red trajectory) is evoked by one or more presynaptic spikes. Input stimuli excite the system away from the functionally inactive state S . However, the protein complexes switch their functional behavior past the switching point ( U ) only when sufficient energy is available, via action potentials and an increase in calcium influx. In this case, the system passes the TC transition point, which enables the appropriate exocytotic signaling mode to be activated. تين. 3ب illustrates the process in the time domain: Fig. 3ب 1 shows the presynaptic stimulus Fig. 3B2 shows the output signal and Fig. 3B3 is a schematic diagram that depicts a particle (in the abstract sense), initially at a rest point ( S ), that is driven out of the basin of attraction of S by a sufficient force (blue arrows), enabling it to jump the energy barrier ( U ). We refer the reader to the article by Kasai et al. (33) for discussion on energy functions associated with the release of neurotransmitters. Thus, a particular amplitude and timing of a perturbation can drive the system away from the equilibrium point and induce it to make a large-amplitude, transient excursion before it settles again to its inactive state ( S ).

Past the switching point ( U ), the protein complexes p 1 and p 2 begin to interact strongly, activating states associated with vesicle priming I. The passage through the TC point can be associated with the initiation of priming stage II (i.e., SNARE complex assembly and regulation by complexin). Priming can be a fast (synchronous) or slow (asynchronous) process, depending on the time scale parameter ε.

From a mathematical perspective, precise quantitative control of the delay is achieved by the so-called “way-in–way-out function” (SI Appendix). In short, the activity-induced transcritical canard predicts the existence of delayed inertial protein unbinding occurring between priming I and fusion-pore opening stages. This delayed inertial protein unbinding can possibly be related to the clamping action of complexin, or Ca 2+ -activated calcium sensors (e.g., Syt1) competing with complexin for SNARE complex binding (by displacing part of complexin within the SNARE but via a delayed inertial unbinding). Indeed, from the modeling point of view, ε (which also controls the delayed process), can be associated with complexin or (a)synchronous calcium sensors at a molecular level (SI Appendix). The unbinding between p 1 and p 2 (e.g., interpreted mesoscopically as translocation of complexin) initiates fusion ( F ) and subsequent neurotransmitter release. Following exocytosis, p 1 and p 2 begin a second phase of strong interaction that induces endocytosis ( E ) and subsequent vesicle refilling ( R ). The final stage is triggered by the SN transition point, which prompts p 1 and p 2 to alter their states and evolve toward their inactive state S , where the vesicle pool is replenished.

SNARE-SM Model Evoked Release Mode.

Evoked synchronous and asynchronous modes of release in the SNARE-SM model are shown in SI Appendix, Figs. S2 and S3, with the parameters specified in SI Appendix, Table S1. For the synchronous mode, SI Appendix, Fig. S3 أأ 2 shows that the SNARE-SM model’s output, p 2 , is activated almost instantaneously upon an incoming stimulus, V i n . In this case, ε has a small value. Increasing ε induces a weaker binding/unbinding that effectively introduces variability (irregular activation via sensitivity to initial conditions) and a strong inertia in the unbinding process, causing a delay. This asynchronous mode is shown in SI Appendix, Fig. S3 بB2, where the onset of p 2 is delayed with respect to the stimulus. Note that the output time profile also changes shape and amplitude, with a slower rising phase. These features are crucial, leading to gradual activation of vesicle pools as well as postsynaptic receptors, consistent with the gradual postsynaptic potential response observed in experiments for asynchronous release (1).

SI Appendix, Fig. S2 shows three different delayed responses under the same two-spike stimulus, demonstrating irregular activation due to the model’s sensitivity to initial conditions. Moreover, a burst of spikes may be required before the vesicle pool is activated, a feature that is widely reported in experiments (1) this burst of spikes is controlled by increasing the distance between the two configuration states S and U , thereby increasing the energy barrier (Fig. 3B3). The farther they are apart, the stronger is the stimulus (multiple spikes) that is needed to elicit vesicle priming ( P ). A delayed response to a stimulus with three spikes is shown in SI Appendix, Fig. S3 جC2). Note that if the interspike interval between input stimuli is smaller than the exocytotic-endocytotic cycle time, then the delay decreases inversely to the input frequency increase. However, this delay does not decrease below a fixed value that corresponds to synchronous release.

SNARE-SM Model Spontaneous Release Mode.

There are two different ways to generate spontaneous mini-releases in the SNARE-SM model as illustrated in SI Appendix، التين. S4 أب 1، على التوالى. One way is to assume that Ca 2+ channels open stochastically, which changes the resting baseline of Ca 2+ concentrations (2). Increasing the Ca 2+ concentration decreases the amplitude of the parabola Γ 2 , which changes the fusion dynamics. This change can be related to empirical data showing the existence of multiple fusion processes, such as kiss-and-run, clathrin-dependent endocytosis, and bulk endocytosis (34). Kiss-and-run is relevant to spontaneous release, where vesicles do not fuse entirely with the membrane, and thus are rapidly retrieved from the active zone (release site).

The model also needs to be in a strongly excitable regime, in which the two configuration states S and U are sufficiently close to each other. As a consequence, low-noise perturbations are sufficient to kick the system away from its inactive state ( S ) to complete endocytosis before settling back to S (SI Appendix، التين. S4ب 1). An alternative mode of spontaneous release is via Ca 2+ sparks from internal Ca 2+ stores (1, 2), which stimulates a limit cycle (a self-sustained periodic signal) (SI Appendix، التين. S4أ 1) that is achieved by moving both the S and U configuration points to the far left as a consequence, signals emanating from the SN point no longer fall into the basin of attraction of S , prompting another exocytotic-endocytotic cycle. The limit cycle can have an irregular period by random variation of its associated parameters (SI Appendix).

Extended SNARE-SM Model Predictions.

We now test the full model [extended (E)-SNARE-SM] with paired whole-cell recordings from both inhibitory and excitatory synapses having differential modes of exocytosis. For inhibition, we use recordings from isolated synapses between cholecystokinin (CCK)-positive Shaffer collateral-associated (SCA) interneurons in the CA1 region of P18-21 rat hippocampus (16) (المواد والأساليب) and we base the model on parameters associated with GABAأ-induced currents (16, 35, 36). For excitation, we use data from experiments on calyx-of-Held synapses (4). The SNARE-SM model parameters are adjusted to generate the appropriate release mode (SI Appendix, Table S1), and the MT model parameters are adopted from Markram et al. (37) as a baseline (SI Appendix). Note that asynchronous release is known to be accompanied by irregularity in both neurotransmitter release times and amplitudes of the inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) and excitatory postsynaptic potentials therefore, associated parameter values can vary substantially between release events. The remaining parameters are tuned within a bounded region (inhibitory synapses are shown in SI Appendix, Table S2, and excitatory synapses are shown in SI Appendix, Table S3). Details of the parameter fitting procedures are provided in SI Appendix.

The E-SNARE-SM model successfully reproduces the synaptic dynamics of the SCA inhibitory synapse (Fig. 4). The delayed unitary IPSP in Fig. 4أ 1 is compared with the output of the inhibitory model (Fig. 4ب 1). A sequence of IPSPs exhibiting short-term synaptic depression and delay in response to multiple presynaptic stimuli (Fig. 4أ 2) matches the output of the model in Fig. 4B2. The response to a sequence of IPSPs featuring short-term synaptic facilitation and delay, shown in Fig. 4A3, is compared with the response of the model in Fig. 4B3. The model reproduces the onset of the delays and the temporal profile of the IPSP data. Care was taken with fitting delayed release because the model is sensitive to initial conditions. Completion of an exocytotic-endocytotic cycle brings the system to a different configuration. As a consequence, the parameters of the previous exocytotic-endocytotic cycle will give rise to a different delayed response when a new stimulus occurs. Parameters associated with GABAأ-induced currents also undergo changes, albeit minor, because eCBs increase the input resistance of the cell, docking time of neurotransmitters, and affinity.

Model comparison with inhibitory synapse. (أ 1) Delayed IPSP ( ∼ 5.6 ms) of CCK-positive SCA interneuron to unitary input spike at time t s p (dashed red line). (ب 1) Response of the model to the same input as in أ 1. (أ 2) Depressed and delayed IPSP data resulting from spikes occurring at times t s p i , i = < 1 … 5 >(red dashed lines). The first epoch (shaded magenta rectangle) is triggered by the first three spikes causing synchronous mode (release within 5 ms) the second epoch (shaded cyan rectangle) is initiated by two subsequent spikes that lead to asynchronous mode (more than 5-ms delayed release). (Inset) Expansion of the region corresponding to the five release events: Vertical red dashed lines mark spike times, and vertical blue lines mark IPSP response times. The distance between them measures the delay: ∼ (2.0, 2.6, 2.5, 9.2, 15.0) ms. (B2) Response of the model to the same input as in أ 2. (A3) Facilitated and delayed IPSP data. The first epoch (shaded magenta rectangle), induced by the first three spikes, leads to synchronous release with delayed response times of ∼ (4.2, 3.6, 4.1) ms. The second epoch (shaded cyan rectangle) is evoked by two subsequent spikes, with marginal delayed release times [ ∼ (5.0, 5.1) ms]. (B3) Response of the model to the same input as in A3.

The parameters of the MT model also depend on the mode of release. Continuity conditions are enforced to ensure that different epochs of data fit with different modes of release (shaded magenta and cyan rectangles in Fig. 4 أ 2, B2, A3، و B3). Future developments will include the conditions ensured by the way-in–way-out function for an automatic parameter fitting. However, in the limit of complete depletion of neurotransmitters, fitting any continuous mesoscopic model to electrophysiological data becomes increasingly difficult, because noise dominates and expressing microscopic dynamics becomes fundamental (averaging effect is shown in SI Appendix، الشكل S7). In this limit, other theoretical studies reveal that discrete, stochastic, or agent-based models best describe microscopic activity (38).

Comparisons between excitatory postsynaptic currents at the calyx-of-Held synapse and the postsynaptic currents of the E-SNARE-SM model are made in Fig. 5. Specifically, Fig. 5أ 1 depicts a synchronous activation to a single presynaptic spike, which is matched by the model in Fig. 5ب 1. Multiple postsynaptic activations elicited by a single input are shown in Fig. 5أ 2. The first postsynaptic activation is asynchronous, and the two subsequent releases are spontaneous. The model is in good agreement over three epochs shown in different colors (Fig. 5B2). Moreover, the model can also reproduce the WT data from the calyx of Held. In particular, the strong synaptic depression seen at this synapse during high-frequency stimulation and the kinetics of recovery from synaptic depression can both be captured. Indeed, our model builds upon the MT framework, which has been shown to account for these phenomena (39).

Model comparison with excitatory synapse. (أ 1) Synchronous excitatory postsynaptic current (EPSC at ∼ 1.6 ms) of the calyx-of-Held synapse to unitary input spike at time t s p (dashed red line). The blue dashed line shows the time instant of activation. Data were extracted from figure 2A of ref. 4 (Syt2 KO). (ب 1) Response of the model to the same input as in أ 1. (أ 2) Unitary input spike at time t s p (dashed red line) first causes a delayed EPSC (at ∼ 4 ms) and two additional spontaneous activations at ∼ (27.3, 41.3) ms. Data were extracted from figure 2A of ref. (4) (Syt2 KO). (B2) Response of the model to the same input as in أ 2. Here, the different epochs of the data reflect the transitions from delayed (shaded magenta rectangle) to spontaneous (shaded cyan and shaded light orange rectangles) activation. The model makes these transitions by varying the parameters of the SNARE-SM model that dictate the transition from the delayed to spontaneous regime (SI Appendix, Table S1).


أنواع

There are two main types of synapses:

المشابك الكيميائية

In a chemical synapse, the electrical activity in the presynaptic neuron triggers the release of chemical messengers, the neurotransmitters.

The neurotransmitters diffuse across the synapse and bind to the specialized receptors of the postsynaptic cell.

The neurotransmitter then either excites or inhibits the postsynaptic neuron. Excitation leads to the firing of an action potential while inhibition prevents the propagation of a signal.

المشابك الكهربائية

In electrical synapses, two neurons are connected by specialized channels known as gap junctions.

Electrical synapses allow electrical signals to travel quickly from the presynaptic cell to the postsynaptic cell, rapidly speeding up the transfer of signals.

The special protein channels that connect the two cells make it possible for the positive current from the presynaptic neuron to flow directly into the postsynaptic cell.

Comparing the Types

Gap between: 20 nanometers

Speed: Several milliseconds

No loss of signal strength

Gap between: 3.5 nanometers

Speed: Nearly instantaneous

Signal strength diminishes

The gap between electrical synapses is much smaller than that of a chemical synapse (about 3.5 nanometers compared to 20 nanometers).

Electrical synapses transfer signals much faster than chemical synapses. While the speed of transmission in chemical synapses can take up to several milliseconds, the transmission at electrical synapses is nearly instantaneous.

While electrical synapses have the advantage of speed, the strength of a signal diminishes as it travels from one cell to the next. Because of this loss of signal strength, it requires a very large presynaptic neuron to influence much smaller postsynaptic neurons.

Chemical synapses may be slower, but they can transmit a message without any loss in signal strength. Very small presynaptic neurons are also able to influence even very large postsynaptic cells.

Where chemical synapses can be excitatory or inhibitory, electrical synapses are excitatory only.


شاهد الفيديو: وظائف الربط. الجهاز العصبي. التشابكات العصبية أو السينابس. (شهر فبراير 2023).