Tip:
Highlight text to annotate it
X
Co robią nasze neurony?
Neurony to głównie zbiór sieci
stanowiący interfejs między nami a środowiskiem.
Pozwalają na optymalizację zachowania koniecznego do przetrwania i reprodukcji.
By w przyszłości użyć dzisiaj zapamiętanej informacji,
potrzebujemy pamięci.
Jest to najistotniejsza czynność,
którą pełni nasz układ nerwowy.
Przetwarza i zapisuje historię w sieciach neuronowych.
Nasze życie jest zakodowane w sieciach neuronowych.
Dzisiaj chciałabym opowiedzieć o fakcie,
że mimo tego, że wspomnienia zostają czasem nawet na całe życie,
to składają się z niestabilnych elementów.
Są one budowane w sieciach neuronowych tworzących synapsy,
które zawierają białka utrzymujące się tylko kilka dni.
Jak więc uzyskać stabilność z nietrwałych elementów?
Przypominam, widzieliśmy wiele pięknych zdjęć neuronów.
Można się ślinić na widok zdjęć zrobionych przez Jeffa,
ale tak naprawdę, neurony to jedyne komórki naszego ciała,
które wyglądają tak.
Większość komórek jest okrągła i nieciekawa.
Neurony także mają okrągłe ciało komórkowe,
ale rozprzestrzeniły kilometrowe wypustki,
które widzieliście na zdjęciach Jeffa,
by połączyć się z innymi komórkami.
Większość komórek ciała styka się z niewieloma innymi,
a neurony łączą się z 10 000 innych neuronów.
Na pokazanym zdjęciu zaznaczono na zielono ciało komórkowe,
zachodzące tam procesy i wypustki, a na czerwono widać pojedyncze synapsy.
Jeżeli wziąć jedną komórkę,
a o pojedynczej komórce będę dzisiaj mówiła,
to ta komórka "rozmawia" z 10 000 innych.
Ta rozmowa toczy się w synapsach.
Synapsy to połączenia pomiędzy dwoma komórkami.
Akson, wypustka nadawcza neuronu, bardzo blisko styka się z dendrytem,
wypustką odbiorczą drugiego neuronu.
Jeśli powiększyć synapsę,
to zobaczylibyśmy, że jest upakowana białkami.
Chciałabym, żebyście to przemyśleli,
bo synapsy to miejsca przechowywania informacji i obrotu białek.
Zastanówmy się, ile białek znajduje się w pojedynczej komórce.
Przez ostatnie 20 lat spędziliśmy dużo czasu,
"my" czyli neuronaukowcy,
charakteryzując białka znajdujące się w synapsie.
Większość ludzi zgodzi się, że w synapsie
zlokalizowanych jest 500 różnych białek.
Średnio każdego z tych białek,
a w przypadku niektórych znamy wynik szczegółowy,
jest około 50 kopii.
To daje 25 000 białek w jednej synapsie.
Jak wcześniej mówiłam, w komórce jest 10 000 synaps,
to znaczy mamy 250 milionów białek jedynie w dendrytach komórki.
Wiemy także, że komórka ma równie złożoną architekturę
przesyłania informacji w aksonie,
dodajmy więc kolejne 250 milionów białek.
Średnio mamy około 500 milionów białek w jednej komórce,
ale w przeciwieństwie do wspomnień, ludzi, czy większości komórek ciała,
białka istnieją tylko chwilę, czyli średni okres półtrwania białka,
czas połowy jego "życia", to około 24 godziny.
To znaczy, że w jednej komórce, co 24 godziny,
do utrzymania status quo neuronu potrzeba co najmniej 250 milionów białek.
Chciałabym wam przypomnieć, skąd pochodzą białka.
Informacje przechowywane są w genach w formie DNA,
które jest transkrybowane do RNA, a dzieje się to w ciele komórkowym,
w jądrze komórki.
Cząsteczki RNA, tak zwane matrycowe RNA,
są szablonem dla maszyn syntetyzujących białka,
odczytujących kod potrzebny do wytworzenia białka.
W większości komórek dzieje się to poza jądrem, w cytoplazmie.
Jak to jest w przypadku neuronów?
Czy przebiega to w ciele komórkowym jak u innych komórek?
Jeśli to prawda,
to jak ciało komórkowe produkuje 250 milionów białek, których potrzebuje
i jak wysyła je do tych 10 000 synaps w ciele komórki nerwowej?
Neurony wpadły na sprytne rozwiązanie:
podzieliły zasoby.
Zamiast syntetyzować białka tylko w ciele komórkowym,
wysłały rybosomy, maszynerię syntetyzującą białka,
jak najbliżej synaps.
Po lewej stronie widzicie zdjęcie kolca dendrytycznego,
a strzałka wskazuje na skupisko polirybosomów.
Są to maszyny syntetyzujące białka,
będące w trakcie procesu tworzenia białek.
*** kolcem dendrytycznym możecie zobaczyć zakończenie presynaptyczne neuronu,
upakowane małymi pęcherzykami neurotransmitera.
Wiemy, że znajduje się tam aktywna maszyneria, ale nie tylko,
możemy też zobrazować procesy syntezy białek.
Właściwie, pozostałe dwa zdjęcia,
zrobione w Caltech razem z Richem Robertsonem,
a ostatnio, w większej liczbie, z Davem Tirrelem,
ukazują technikę chemicznego znakowania nowo powstałych białek.
Na środkowym zdjęciu widać mały strumyk albo smugę,
gdzie stymulowaliśmy bardzo małą część dendrytu
i sprawdzaliśmy, czy można wykryć dowody syntezy nowych białek.
Na powiększonym zdjęciu, pokazanym po prawej,
widać małe skupiska fluorescencyjnych cząsteczek,
które znakują nowo powstałe białka.
Jak powszechny jest więc taki proces dystrybucji?
By to zrozumieć, trzeba wiedzieć,
ile różnych białek może ulec syntezie w trakcie takiego procesu.
Żeby się dowiedzieć, można zapytać:
"Jaka jest populacja znajdujących się tam matrycowych RNA?"
Punktem początkowym takich eksperymentów
było sprawdzenie, co inni ludzie już zrobili.
Znaleźliśmy trzy duże badania,
w których zidentyfikowano w tym obszarze około 100 mRNA.
Zastanowiliśmy się więc:
"Jest coś jeszcze do odkrycia? Czy wszystkie trzy badania
odkryły całą populację?"
Zapytaliśmy: "W jakim stopniu się one nakładają?"
Zaskoczyło nas odkrycie, że nie było ani jednego mRNA,
które byłoby zidentyfikowane przez wszystkie trzy badania.
To sugerowało, że jest jeszcze coś do odkrycia.
(Śmiech)
W tym momencie spojrzałam na to
i powiedziałam ulubionemu studentowi, Georgiemu Tushevowi:
"Ta informacja prawdopodobnie wystarczy, żeby określić,
jak duża jest pula matrycowego RNA".
Georgi powiedział: "Masz rację, jeszcze do tego wrócimy."
Przyszedł następnego dnia z czymś niesamowitym.
Publikacją z 1930 roku. To znaczyło, że Georgi musiał pójść do biblioteki!
(Śmiech)
Studenci, już tłumaczę: to taki budynek używany do przechowywania książek.
(Śmiech)
Georgi przyniósł artykuł Zoe Emily Schnabel,
biolożki terenowej i matematyczki,
która pracowała w środkowo-zachodnich Stanach
i pewnego razu musiała oszacować liczbę ryb w jeziorze.
Taki sam problem jak nasz. Nie chciała osuszać jeziora.
Wymyśliła więc, że jeśli wziąć siatkę ryb,
zaznaczyć złapane ryby, wypuścić je,
złapać kolejne i powtórzyć ten proces kilka razy,
za każdym razem notując liczbę oznaczonych i nieoznaczonych ryb,
można oszacować, ile ogółem ryb znajduje się w jeziorze.
Wykorzystując metodę pani Schnabel sprawdziliśmy, ile mRNA
mogło być przetwarzane i znaleźliśmy znacznie większą ilość,
niż byliśmy w stanie sobie wyobrazić, czyli około 2000 mRNA.
Możliwe, że wszechświat lokalnej translacji był znacznie większy
niż myśleliśmy.
By odkryć te mRNA,
użyliśmy techniki nazywanej "głębokim sekwencjonowaniem".
W przeciwieństwie do innych technik,
wykorzystując tę, nie trzeba wiedzieć, czego się szuka.
Izoluje się mRNA z dendrytów i aksonów, bezpośrednio sekwencjonuje
i odczytuje sekwencję nukleotydów,
by odkryć, co kodują mRNA,
i które białka są kodowane przez te mRNA.
Byliśmy bardzo zadowoleni z wyników,
ponieważ uzyskaliśmy liczbę bliską naszym szacunkom.
Odkryliśmy, że przetwarzanych było 2500 mRNA.
Zauważyliśmy, że to co zebraliśmy,
biorąc pod uwagę białka, które mogły powstać,
stanowiło prawie zestaw narzędzi dla zbudowania synapsy.
Sugeruje to, że zamiast wysyłania białek do zbudowania synapsy,
lokalnie, tuż przy synapsie
znajduje się maszyneria i wszystkie mRNA potrzebne do zbudowania synapsy.
Odkryliśmy to przez sekwencjonowanie,
ale chcieliśmy także to zwizualizować,
więc użyliśmy nowej technologii, pozwalającej na wizualizację
pojedynczych cząsteczek mRNA.
Coś w rodzaju fluorescencyjnego kodu kreskowego.
Do każdego rodzaju mRNA, które chce się wykryć,
opracowuje się sondę o sekwencji
komplementarnej do interesującego nas mRNA.
Taka sonda wiąże się specyficznie.
Możemy to określić,
bo każde mRNA jest unikalnym szeregiem fluorescencyjnych cząsteczek.
To taki fluorescencyjny kod kreskowy.
Możemy opracować wiele takich sond i zmieszać je z dendrytami i aksonami,
by określić, jakie tam są mRNA i ponadto je policzyć.
Sondy są mieszane, a po przyklejeniu ich do szkiełka, możemy je obrazować.
Obrazujemy je i liczymy, a tak to wygląda.
Jak pierwszy raz to zobaczyłam, to zabrakło mi tchu w piersiach.
To co widzicie, to krótkie ciągi fluorescencyjnego kodu kreskowego.
Widzicie także kilka czerwonych kropek,
pomagających ponownie zorientować się w obrazach w dużym powiększeniu.
Jeśli powiększymy, ukażą się malutkie cząsteczki mRNA,
pochodzące z dendrytów i aksonów.
Jest to pewnego rodzaju świadectwo tego,
jak wspaniałe jest unaocznienie czegoś.
Przypomniało mi to trochę moment,
kiedy byłam w ciąży z córkami i zrobiono mi pierwsze USG.
Wiedziałam, że tam są, ale zobaczenie ich było czymś bardzo wyjątkowym.
Tak samo czuliśmy się, kiedy w końcu zobrazowaliśmy te mRNA
i zobaczyliśmy je, wiedząc wcześniej, że cały czas tam były.
Techniki te pozwalają jednoznacznie określić, że mRNA tam jest,
ale chcieliśmy je zobrazować w ich pierwotnym miejscu.
Chcieliśmy zobaczyć te mRNA z powrotem w dendrytach.
By to zrobić, użyliśmy podobnej strategii,
w której fluorescencyjne cząsteczki rozpoznają odpowiednie mRNA,
co pozwala zobrazować je w neuronach.
Tutaj pokazany jest pojedynczy neuron pochodzący z obszaru hipokampa.
Ciało komórkowe jest zaznaczone na niebiesko,
a dendryty to te sterczące zielone części.
Każda z tych czerwonych kropek to pojedyncza cząsteczka mRNA.
Dla wszystkich 2500 cząsteczek
możemy sprawdzić wzór dystrybucji.
Wtedy możemy określić, jak synapsy gromadzą tę lokalną maszynerię.
Od razu widać, że to świetne rozwiązanie,
ponieważ umiejscawia to maszynerię w bliskim sąsiedztwie aktywnego końca,
blisko synapsy.
Po pierwsze, pozwala to maszynerii na odpowiedź na sygnały synaptyczne,
by utrzymać stabilne synapsy,
jeżeli mają być stabilne, na przykład podczas obrotu białek,
ale także pozwala na modyfikację synaps
przez zmianę lokalnego zestawu białek.
Ten rodzaj problemu, dystrybucja zasobów,
optymalizacja zasobów, jest powszechny w społeczeństwie.
I wychodzi na to, że jeśli należy dostarczyć coś populacji,
to istnieje kilka modeli, które mogą temu sprostać.
Pierwszy, to posiadanie dużego centrum produkcyjnego,
które rozsyłałoby zasoby do całej populacji.
Kolejne rozwiązanie to posiadanie kilku centrów produkcyjnych
z losowymi trasami docierającymi do lokalnych punktów końcowych.
A neurony i inne układy stosują rozwiązanie niejako pośrednie,
nazywane "siecią małego świata".
Można tu znaleźć, na przykład,
analogię do dystrybucji prądu w USA,
gdzie należy dostarczyć prąd do każdego domostwa.
Widać tu podobny system,
gdzie lokalne węzły zaopatrują lokalne punkty docelowe.
Trafniejszym przykładem jest ogólnoświatowa sieć internetowa,
która wykorzystuje podobny model z węzłami zaopatrującymi punkty docelowe.
Podsumowując, od synapsy po Internet,
wydaje się być wykorzystywany ten sam schemat,
gdzie lokalna kontrola przynosi korzyści.
To mój zespół w Frankfurcie, niezwykli, motywujący,
i fantastyczni ludzie, oraz moi fundatorzy.
Dziękuję.
(Brawa)