I neuroni si "accostano, si restringono e corrono" per trasmettere informazioni / Neurons ‘kiss-shrink-run’ to relay information

I neuroni si "accostano, si restringono e corrono" per trasmettere informazioni / Neurons ‘kiss-shrink-run’ to relay information

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una nuova ricerca ha risolto il dibattito tra la fusione "kiss-and-run" e quella "full-collapse" per spiegare come i neuroni trasmettono i segnali attraverso le sinapsi.

Scienziati dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (Cina) hanno sviluppato una nuova tecnica di criotomografia elettronica (cryo-ET) per svelare il complesso processo di rilascio e riciclo delle vescicole sinaptiche (SV). Questa spiegazione unificata della trasmissione sinaptica potrebbe aprire la strada a futuri studi su malattie legate alla neurotrasmissione come il Parkinson o l'Alzheimer.

La trasmissione sinaptica è alla base della comunicazione neuronale. Il nostro cervello si basa sulla trasmissione efficiente e precisa di segnali elettrici, o potenziali d'azione, per consentire il rilascio dei neurotrasmettitori. Tuttavia, da tempo si discute se il rilascio delle vescicole sinaptiche segua un modello di fusione "kiss-and-run" od un modello di fusione irreversibile "full-collapse".

In questo studio, un gruppo guidato da Guo-Qiang Bi ha sviluppato un metodo di crio-ET a risoluzione temporale con elevata risoluzione spaziale 3D, stimolazione optogenetica integrata per l'attivazione sinaptica e plunge-freezing ad intervalli di millisecondi. Questa tecnica ha permesso loro di raccogliere oltre 1000 immagini di sinapsi intatte in neuroni ippocampali di ratto in coltura, coprendo un potenziale post-azione di 0-300 ms.

Le immagini sono state acquisite in due diverse condizioni. Il primo set è stato acquisito con un microscopio Tecnai F20 da 200 kV di Thermo Fisher (MA, USA), dotato di una camera di presentazione K2 Gatan (CA, USA) e di un rivelatore di elettroni diretto. L'altro set ha utilizzato un microscopio Titan Krios da 300 kV (Thermo Fisher) dotato di una camera GIF+K2/K3 (Gatan) o di una camera Selectris+Falcon4 (Thermo Fisher), insieme ad un filtro di energia post-colonna ed ad un rivelatore di elettroni diretto. Le immagini raccolte sono state sottoposte a ricostruzione 3D con IMOD, una piattaforma open source sviluppata presso l'Università del Colorado a Boulder (CO, USA).

L'analisi di queste immagini ha rivelato che a riposo, prima dell'arrivo del potenziale d'azione, le SV erano ancorate alla membrana presinaptica. Entro 4 ms dal potenziale d'azione, le SV ancorate si fondevano con la membrana, o "baciavano", formando un poro di fusione di circa 4 nm prima di restringersi in SV con pori aperti. La maggior parte di queste SV rimpicciolite con pori aperti chiudeva successivamente i pori di fusione e si trasformava in piccole SV semi-fuse. A 70 ms dal potenziale d'azione, le SV semi-fuse si staccavano, o "correvano", dalla membrana, pronte per essere riciclate dall'organismo, mentre le SV con pori aperti collassavano.

Il guppo ritiene che questa teoria unificata potrebbe consentire di sviluppare modelli migliori di neurotrasmissione e fornire un quadro generale per comprendere le dinamiche della membrana.

ENGLISH

New research has settled the debate between ‘kiss-and-run’ and ‘full-collapse’ fusion to explain how neurons transmit signals across synapses.

Scientists from the University of Science and Technology of China (China) have developed a novel cryo-electron tomography (cryo-ET) technique to reveal the complex process of synaptic vesicle (SV) release and recycling. This unified explanation for synaptic transmission could enable future work on neurotransmission-related diseases such as Parkinson’s or Alzheimer’s.

Synaptic transmission is the basis of neuronal communication. Our brains rely on the efficient and precise relaying of electrical signals, or action potentials, to enable neurotransmitter release. However, there has long been a debate about whether synaptic vesicle release follows a ‘kiss-and-run’ fusion model or an irreversible ‘full-collapse’ fusion model.

In this study, a team led by Guo-Qiang Bi developed a method of time-resolved cryo-ET with high 3D spatial resolution, integrated optogenetic stimulation for synaptic activation and plunge-freezing at millisecond intervals. This technique enabled them to collect over 1000 images of intact synapses in cultured rat hippocampal neurons covering 0–300 ms post-action potential.

The images were collected under two different conditions. The first set was captured with a 200 kV Tecnai F20 microscope from Thermo Fisher (MA, USA), equipped with a Gatan (CA, USA) K2 submit camera and direct electron detector. The other set utilized a 300 kV Titan Krios microscope (Thermo Fisher) equipped with either a GIF+K2/K3 camera (Gatan) or a Selectris+Falcon4 camera (Thermo Fisher), along with a post-column energy filter and direct electron detector. The collected images underwent 3D reconstruction with IMOD, an open-source platform developed at the University of Colorado Boulder (CO, USA).

Analysis of these images revealed that at rest, before the arrival of the action potential, SVs were tethered to the presynaptic membrane. Within 4 ms of the action potential, the docked SVs fused with, or ‘kissed’, the membrane, forming a ~4 nm fusion pore before shrinking to pore-opened SVs. Most of these shrunken pore-opened SVs subsequently closed their fusion pores and transitioned into small semi-fused SVs. At 70 ms post-action potential, semi-fused SVs detached, or ‘ran’, from the membrane, ready to be recycled by the body, whilst the pore-opened SVs collapsed.

The team believe that this unified theory could enable better models of neurotransmission as well as provide a general framework for understanding membrane dynamics.

Da:

https://www.biotechniques.com/neuroscience/neurons-kiss-shrink-run-to-relay-information/