Scientists Reveal How General Anesthesia Works in the Brain / Gli scienziati rivelano come l'anestesia generale funzioni nel cervello
Scientists Reveal How General Anesthesia Works in the Brain / Gli scienziati rivelano come l'anestesia generale funzioni nel cervello
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Hailed as one of the most important medical advances, the discovery of general anesthetics – compounds which induce unconsciousness, prevent control of movement and block pain – helped transform dangerous and traumatic operations into safe and routine surgery. But despite their importance, scientists still don’t understand exactly how general anesthetics work.
Now, in a study published in the Journal of Neuroscience, researchers from the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) and Nagoya University have revealed how a commonly used general anesthetic called isoflurane weakens the transmission of electrical signals between neurons, at junctions called synapses.
“Importantly, we found that isoflurane did not block the transmission of all electrical signals equally; the anesthetic had the strongest effect on higher frequency impulses that are required for functions such as cognition or movement, whilst it had minimal effect on low frequency impulses that control life-supporting functions, such as breathing,” said Professor Tomoyuki Takahashi, who leads the Cellular and Molecular Synaptic Function (CMSF) Unit at OIST. “This explains how isoflurane is able to cause anesthesia, by preferentially blocking the high frequency signals.”
At synapses, signals are sent by presynaptic neurons and received by postsynaptic neurons. At most synapses, communication occurs via chemical messengers – or neurotransmitters.
When an electrical nerve impulse, or action potential, arrives at the end of the presynaptic neuron, this causes synaptic vesicles – tiny membrane “packets” that contain neurotransmitters – to fuse with the terminal membrane, releasing the neurotransmitters into the gap between neurons. When enough neurotransmitters are sensed by the postsynaptic neuron, this triggers a new action potential in the postsynaptic neuron.
The CMSF unit used rat brain slices to study a giant synapse called the calyx of Held. The scientists induced electrical signals at different frequencies and then detected the action potentials generated in the postsynaptic neuron. They found that as they increased the frequency of electrical signals, isoflurane had a stronger effect on blocking transmission.
To corroborate his unit’s findings, Takahashi reached out to Dr. Takayuki Yamashita, a researcher from Nagoya University who conducted experiments on synapses, called cortico-cortical synapses, in the brains of living mice.
Yamashita found that the anesthetic affected cortico-cortical synapses in a similar way to the calyx of Held. When the mice were anesthetized using isoflurane, high frequency transmission was strongly reduced whilst there was less effect on low frequency transmission.
“These experiments both confirmed how isoflurane acts as a general anesthetic,” said Takahashi. “But we wanted to understand what underlying mechanisms isoflurane targets to weaken synapses in this frequency-dependent manner.”
Now, in a study published in the Journal of Neuroscience, researchers from the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) and Nagoya University have revealed how a commonly used general anesthetic called isoflurane weakens the transmission of electrical signals between neurons, at junctions called synapses.
“Importantly, we found that isoflurane did not block the transmission of all electrical signals equally; the anesthetic had the strongest effect on higher frequency impulses that are required for functions such as cognition or movement, whilst it had minimal effect on low frequency impulses that control life-supporting functions, such as breathing,” said Professor Tomoyuki Takahashi, who leads the Cellular and Molecular Synaptic Function (CMSF) Unit at OIST. “This explains how isoflurane is able to cause anesthesia, by preferentially blocking the high frequency signals.”
At synapses, signals are sent by presynaptic neurons and received by postsynaptic neurons. At most synapses, communication occurs via chemical messengers – or neurotransmitters.
When an electrical nerve impulse, or action potential, arrives at the end of the presynaptic neuron, this causes synaptic vesicles – tiny membrane “packets” that contain neurotransmitters – to fuse with the terminal membrane, releasing the neurotransmitters into the gap between neurons. When enough neurotransmitters are sensed by the postsynaptic neuron, this triggers a new action potential in the postsynaptic neuron.
The CMSF unit used rat brain slices to study a giant synapse called the calyx of Held. The scientists induced electrical signals at different frequencies and then detected the action potentials generated in the postsynaptic neuron. They found that as they increased the frequency of electrical signals, isoflurane had a stronger effect on blocking transmission.
To corroborate his unit’s findings, Takahashi reached out to Dr. Takayuki Yamashita, a researcher from Nagoya University who conducted experiments on synapses, called cortico-cortical synapses, in the brains of living mice.
Yamashita found that the anesthetic affected cortico-cortical synapses in a similar way to the calyx of Held. When the mice were anesthetized using isoflurane, high frequency transmission was strongly reduced whilst there was less effect on low frequency transmission.
“These experiments both confirmed how isoflurane acts as a general anesthetic,” said Takahashi. “But we wanted to understand what underlying mechanisms isoflurane targets to weaken synapses in this frequency-dependent manner.”
Tracking down the targets
With further research, the researchers found that isoflurane reduced the amount of neurotransmitter released, by both lowering the probability of the vesicles being released and by reducing the maximum number of vesicles able to be released at a time.
The scientists therefore examined whether isoflurane affected calcium ion channels, which are key in the process of vesicle release. When action potentials arrive at the presynaptic terminal, calcium ion channels in the membrane open, allowing calcium ions to flood in. Synaptic vesicles then detect this rise in calcium, and they fuse with the membrane. The researchers found that isoflurane lowered calcium influx by blocking calcium ion channels, which in turn reduced the probability of vesicle release.
“However, this mechanism alone could not explain how isoflurane reduces the number of releasable vesicles, or the frequency-dependent nature of isoflurane’s effect,” said Takahashi.
The scientists hypothesized that isoflurane could reduce the number of releasable vesicles by either directly blocking the process of vesicle release by exocytosis, or by indirectly blocking vesicle recycling, where vesicles are reformed by endocytosis and then refilled with neurotransmitter, ready to be released again.
By electrically measuring the changes in the surface area of the presynaptic terminal membrane, which is increased by exocytosis and decreased by endocytosis, the scientists concluded that isoflurane only affected vesicle release by exocytosis, likely by blocking exocytic machinery.
“Crucially, we found that this block only had a major effect on high frequency signals, suggesting that this block on exocytic machinery is the key to isoflurane’s anesthetizing effect,” said Takahashi.
The scientists proposed that high frequency action potentials trigger such a massive influx of calcium into the presynaptic terminal that isoflurane cannot effectively reduce the calcium concentration. Synaptic strength is therefore weakened predominantly by the direct block of exocytic machinery rather than a reduced probability of vesicle release.
Meanwhile, low frequency impulses trigger less exocytosis, so isoflurane’s block on exocytic machinery has little effect. Although isoflurane effectively reduces entry of calcium into the presynaptic terminal, lowering the probability of vesicle release, by itself, is not powerful enough to block postsynaptic action potentials at the calyx of Held and has only a minor effect in cortico-cortical synapses. Low frequency transmission is therefore maintained.
Overall, the series of experiments provide compelling evidence to how isoflurane weakens synapses to induce anesthesia.
“Now that we have established techniques of manipulating and deciphering presynaptic mechanisms, we are ready to apply these techniques to tougher questions, such as presynaptic mechanisms underlying symptoms of neurodegenerative diseases,” said Takahashi. “That will be our next challenge.”
ITALIANO
Considerato uno dei più importanti progressi della medicina, la scoperta di anestetici generali - composti che inducono incoscienza, prevengono il controllo dei movimenti e bloccano il dolore - hanno contribuito a trasformare operazioni pericolose e traumatiche in interventi chirurgici sicuri e di routine. Ma nonostante la loro importanza, gli scienziati non capiscono ancora esattamente come funzionano gli anestetici generali.
Ora, in uno studio pubblicato sul Journal of Neuroscience, i ricercatori dell'Istituto di scienze e tecnologia Okinawa (OIST) e dell'Università di Nagoya hanno rivelato come un anestetico generale comunemente usato chiamato isoflurano indebolisca la trasmissione di segnali elettrici tra neuroni, alle giunzioni chiamato sinapsi.
“È importante sottolineare che l'isoflurano non ha bloccato la trasmissione di tutti i segnali elettrici allo stesso modo; l'anestetico ha avuto l'effetto più forte sugli impulsi a frequenza più alta necessari per funzioni come la cognizione o il movimento, mentre ha avuto un effetto minimo sugli impulsi a bassa frequenza che controllano le funzioni di supporto della vita, come la respirazione ", ha affermato il professor Tomoyuki Takahashi, che guida il Unità di funzione sinaptica cellulare e molecolare (CMSF) presso OIST. "Questo spiega come l'isoflurano è in grado di causare anestesia, bloccando preferibilmente i segnali ad alta frequenza."
Alle sinapsi, i segnali vengono inviati dai neuroni presinaptici e ricevuti dai neuroni postsinaptici. Nella maggior parte delle sinapsi, la comunicazione avviene tramite messaggeri chimici o neurotrasmettitori.
Quando un impulso nervoso elettrico, o potenziale d'azione, arriva alla fine del neurone presinaptico, questo provoca la fusione delle vescicole sinaptiche - piccoli "pacchetti" di membrane che contengono neurotrasmettitori - con la membrana terminale, liberando i neurotrasmettitori nello spazio tra i neuroni. Quando un numero sufficiente di neurotrasmettitori viene rilevato dal neurone postsinaptico, questo innesca un nuovo potenziale d'azione nel neurone postsinaptico.
L'unità CMSF ha utilizzato fette di cervello di ratto per studiare una sinapsi gigante chiamata calice di Held. Gli scienziati hanno indotto segnali elettrici a frequenze diverse e quindi hanno rilevato i potenziali d'azione generati nel neurone postsinaptico. Hanno scoperto che aumentando la frequenza dei segnali elettrici, l'isoflurano ha avuto un effetto maggiore sul blocco della trasmissione.
Per confermare i risultati della sua unità, Takahashi ha contattato il dott. Takayuki Yamashita, un ricercatore dell'Università di Nagoya che ha condotto esperimenti sulle sinapsi, chiamate sinapsi cortico-corticali, nel cervello dei topi viventi.
Yamashita ha scoperto che l'anestetico colpiva le sinapsi cortico-corticali in modo simile al calice di Held. Quando i topi sono stati anestetizzati con isoflurano, la trasmissione ad alta frequenza è stata fortemente ridotta mentre si sono avuti meno effetti sulla trasmissione a bassa frequenza.
"Questi esperimenti hanno entrambi confermato come l'isoflurano agisca come anestetico generale", ha affermato Takahashi. "Ma volevamo capire quali meccanismi sottostanti sono gli obiettivi dell'isoflurano per indebolire le sinapsi in questo modo dipendente dalla frequenza."
Rintracciare gli obiettivi
Con ulteriori ricerche, i ricercatori hanno scoperto che l'isoflurano ha ridotto la quantità di neurotrasmettitore rilasciato, sia riducendo la probabilità di rilascio delle vescicole sia riducendo il numero massimo di vescicole che possono essere rilasciate alla volta.
Gli scienziati hanno quindi esaminato se l'isoflurano ha influenzato i canali degli ioni calcio, che sono fondamentali nel processo di rilascio della vescicola. Quando i potenziali d'azione arrivano al terminale presinaptico, i canali degli ioni calcio nella membrana si aprono, permettendo agli ioni calcio di diffondersi. Le vescicole sinaptiche rilevano quindi questo aumento di calcio e si fondono con la membrana. I ricercatori hanno scoperto che l'isoflurano ha ridotto l'afflusso di calcio bloccando i canali ionici del calcio, il che a sua volta ha ridotto la probabilità di rilascio di vescicole.
"Tuttavia, questo meccanismo da solo non potrebbe spiegare come l'isoflurano riduca il numero di vescicole rilasciabili o la natura dipendente dalla frequenza dell'effetto dell'isoflurano", ha affermato Takahashi.
Gli scienziati hanno ipotizzato che l'isoflurano potrebbe ridurre il numero di vescicole rilasciabili bloccando direttamente il processo di rilascio di vescicole dall'esocitosi o bloccando indirettamente il riciclaggio delle vescicole, dove le vescicole vengono riformate dall'endocitosi e quindi ricaricate con neurotrasmettitore, pronte per essere rilasciate di nuovo.
Misurando elettricamente i cambiamenti nella superficie della membrana terminale presinaptica, che è aumentata dall'esocitosi e diminuita dall'endocitosi, gli scienziati hanno concluso che l'isoflurano ha influenzato solo il rilascio di vescicole dall'esocitosi, probabilmente bloccando i macchinari esocitici.
"Fondamentalmente, abbiamo scoperto che questo blocco ha avuto un effetto importante solo sui segnali ad alta frequenza, suggerendo che questo blocco su macchinari esocitici è la chiave dell'effetto anestetizzante dell'isoflurano", ha detto Takahashi.
Gli scienziati hanno proposto che i potenziali di azione ad alta frequenza innescano un flusso così massiccio di calcio nel terminale presinaptico che l'isoflurano non è in grado di ridurre efficacemente la concentrazione di calcio. La forza sinaptica è quindi indebolita principalmente dal blocco diretto dei macchinari esocitici piuttosto che da una ridotta probabilità di rilascio di vescicole.
Nel frattempo, gli impulsi a bassa frequenza innescano meno esocitosi, quindi il blocco dell'isoflurano sui macchinari esocitici ha scarso effetto. Sebbene l'isoflurano riduca efficacemente l'ingresso di calcio nel terminale presinaptico, ridurre la probabilità di rilascio della vescicola, di per sé, non è abbastanza potente da bloccare i potenziali di azione post-sinaptica sul calice di Held e ha solo un effetto minore nelle sinapsi cortico-corticali. La trasmissione a bassa frequenza viene quindi mantenuta.
Nel complesso, la serie di esperimenti fornisce prove convincenti su come l'isoflurano indebolisca le sinapsi per indurre l'anestesia.
"Ora che abbiamo stabilito tecniche di manipolazione e decifrazione dei meccanismi presinaptici, siamo pronti ad applicare queste tecniche a domande più difficili, come i meccanismi presinaptici alla base dei sintomi delle malattie neurodegenerative", ha affermato Takahashi. "Questa sarà la nostra prossima sfida."
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