Minis Ensure Synaptic Maturation
Once considered neurotransmission-related noise, scientists now show that the spontaneous release of presynaptic vesicles is imperative for the maturation of Drosophila synapses.
May 7, 2014
WIKIMEDIA, BIOMED CENTRAL; SÁNCHEZ-SORIANO, TEAR, WHITINGTON, PROKOP
The functions of miniature neurotransmission, in which presynaptic neurons spontaneously release synaptic vesicles that induce postsynaptic neuronal activity, have eluded neuroscientists since the process was first discovered in the early 1950s. Some have simply considered miniature neurotransmissions—or “minis,” which have been found at every synapse studied—to be byproducts of neurotransmission evoked by action potentials. But in recent years, others have presented evidence to suggest that minis are functional, influencing the production of proteins at synapses, among other things.
Working with live Drosophila, Columbia University Medical Center’s Brian McCabe and his colleagues now demonstrate another role for minis: regulating the structural maturation of glutamatergic synapses. Their work was published in Neuron today (May 7).
“The paper is very exciting . . . [and] extends our previous understanding of miniature neurotransmission in important ways,” said Michael Sutton, an associate professor at the University of Michigan Molecular and Behavioral Neuroscience Institute, who was not involved in the work. “[It] adds to several reports over the last 10 years that have established a functional role for miniature events at synapses.”
Previous reports demonstrated that spontaneous neurotransmission differs from evoked transmission. In February, for example, researchers at the University of California, Berkeley, showed that different Drosophila larval neuromuscular junction (NMJ) synapses exhibited one mode of neurotransmission more often than the other.
Studying Drosophila larvae, McCabe’s team experimentally knocked down each form of transmission at glutamatergic NMJ synapses and observed the effects. The researchers found that loss of minis alone caused defects in the development and maturation of these synapses, whereas knocking down evoked neurotransmission did not. And stimulating miniature transmission even promoted normal synaptic growth.
Researchers have often focused on initial synapse formation, McCabe said, and for that, miniature neurotransmission does not appear to be essential. “But for subsequent development of those synapses, then it is required,” he said. “That’s a new discovery.”
McCabe and his colleagues further investigated how minis influence synaptic development using Drosophila mutants in which some of the fly’s postsynaptic glutamate receptors were inhibited. They found that minis regulate the growth of local synaptic terminals by activating a signaling pathway involved in presynaptic neuronal development.
These experiments “beautifully dissociate the role of minis and evoked transmission in developmental maturation of the Dropsophila NMJ,” Sutton wrote in an e-mail to The Scientist. “The authors very elegantly demonstrate that it is not the amount of activity at synapses that controls maturation, but rather, it is the nature of the activity (evoked versus miniature events) that is important.”
McCabe’s team is now working to better understand how small, spontaneous events could have such profound effects on synaptic development. The researchers are also investigating the effects of minis in the adult fly brain. Moreover, how exactly minis function is still an open question.
“Maybe minis are a separate layer of communication that might allow synapses to remain connected within information flowing between them,” said McCabe. “If you think about your grandmother, who maybe you haven’t thought about for a long time, that memory is still there, those neurons are still connected,” he said. “But if you’re not retrieving that information and using the circuits, how do those synapses stay connected?” Minis may play a role in maintaining such connections, McCabe speculated.
“This paper adds to an emerging view that miniature events and evoked transmission have unique functional roles in neural circuits,” Sutton told The Scientist. “Clearly, understanding the molecular mechanisms whereby miniature events signal in postsynaptic neurons is an important area of future research.”
B.J. Choi et al., “Miniature neurotransmission regulates Drosophila synaptic structural maturation,” Neuron, doi:10.1016/j.neuron.2014.03.012, 2014.
——————————————————————————
Minis Đảm bảo sự trưởng thành của synap
Từng được coi là yếu tố nhiễu liên quan đến dẫn truyền thần kinh, các nhà khoa học hiện đã chỉ ra rằng việc giải phóng tự phát của các túi tiền synap là điều bắt buộc đối với sự trưởng thành của các khớp thần kinh Drosophila.
Các chức năng của dẫn truyền thần kinh thu nhỏ ( miniature neurotransmission), trong đó các tế bào thần kinh trước synap giải phóng một cách tự nhiên các túi tiếp hợp gây ra hoạt động tế bào thần kinh sau synap, đã bị các nhà khoa học thần kinh bỏ qua kể từ khi quá trình này được phát hiện lần đầu tiên vào đầu những năm 1950. Một số người chỉ đơn giản coi sự dẫn truyền thần kinh thu nhỏ — hoặc “minis”, được tìm thấy ở mọi khớp thần kinh được nghiên cứu — là sản phẩm phụ của sự dẫn truyền thần kinh được gợi lên bởi điện thế hoạt động. Nhưng trong những năm gần đây, những người khác đã đưa ra bằng chứng cho thấy minis có chức năng, ảnh hưởng đến việc sản xuất protein tại các khớp thần kinh, trong số những thứ khác.
Nghiên cứu trên các các thể ruồi giấm , Brian McCabe của Trung tâm Y tế Đại học Columbia và các đồng nghiệp của ông hiện chứng minh một vai trò khác đối với minis: điều chỉnh sự trưởng thành cấu trúc của các Synapses glutamatergic. Công trình của họ đã được xuất bản trên tạp chí Neuron vào ngày hôm nay (7/5).
“Tờ báo rất thú vị. . . [và] mở rộng hiểu biết trước đây của chúng ta về sự dẫn truyền thần kinh thu nhỏ theo những cách quan trọng, ”Michael Sutton, phó giáo sư tại Viện Khoa học Thần kinh Phân tử và Hành vi của Đại học Michigan, người không tham gia vào công trình này cho biết. “[Nó] bổ sung vào một số báo cáo trong 10 năm qua đã thiết lập vai trò chức năng cho các sự kiện thu nhỏ tại khớp thần kinh.”
Các báo cáo trước đây đã chứng minh rằng dẫn truyền thần kinh tự phát khác với truyền dẫn do kích thích . Ví dụ, vào tháng 2, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, đã chỉ ra rằng các khớp nối thần kinh cơ của ấu trùng Drosophila (NMJ) khác nhau thể hiện một phương thức dẫn truyền thần kinh thường xuyên hơn phương thức kia.
Nghiên cứu ấu trùng Drosophila, nhóm của McCabe đã thử nghiệm loại bỏ từng hình thức dẫn truyền tại Synapses glutamatergic NMJ và quan sát các tác động. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ riêng việc mất minis đã gây ra những khiếm khuyết trong quá trình phát triển và trưởng thành của các khớp thần kinh này, trong khi việc làm mất khả năng dẫn truyền thần kinh thì không. Và kích thích sự truyền dẫn thu nhỏ thậm chí còn thúc đẩy sự phát triển bình thường của khớp thần kinh.
McCabe cho biết, các nhà nghiên cứu thường tập trung vào sự hình thành Sysnapsse sơ khởi, và vì vậy, dẫn truyền thần kinh thu nhỏ dường như không phải là điều cần thiết. “Nhưng đối với sự phát triển tiếp theo của những khớp thần kinh đó, thì nó là bắt buộc,” ông nói. “Đó là một khám phá mới.”
McCabe và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu thêm về cách các minis ảnh hưởng đến sự phát triển của khớp thần kinh bằng cách sử dụng các đột biến Drosophila, trong đó một số thụ thể glutamate sau synap của ruồi bị ức chế. Họ phát hiện ra rằng các minis điều chỉnh sự phát triển của các đầu cuối synapse tại chỗ bằng cách kích hoạt một con đường tín hiệu liên quan đến sự phát triển của các đầu bouton trước khe sysnap
Những thí nghiệm này “phân tách rõ ràng vai trò của các minis và kích thích sự truyền dẫn trong quá trình trưởng thành phát triển của Dropsophila NMJ,” Sutton viết trong e-mail cho The Scientist. “Các tác giả đã chứng minh một cách rất thanh lịch rằng không phải số lượng hoạt động tại các khe synap kiểm soát sự trưởng thành, mà chính bản chất của hoạt động (envoked versus miniature events) mới là điều quan trọng.”
Nhóm của McCabe hiện đang làm việc để hiểu rõ hơn về cách các sự kiện nhỏ, tự phát có thể có những ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của khớp thần kinh. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm hiểu tác động của minis trong não ruồi trưởng thành. Hơn nữa, chức năng minis chính xác như thế nào vẫn còn là một câu hỏi mở.
McCabe nói: “Có thể minis là một lớp giao tiếp riêng biệt có thể cho phép các khe synapses kết nối với nhau trong thông tin luân chuyển giữa chúng. “Nếu bạn nghĩ về bà của bạn, người mà có lẽ bạn đã không nghĩ đến trong một thời gian dài, ký ức đó vẫn còn đó, những tế bào thần kinh đó vẫn được kết nối,” anh nói. “Nhưng nếu bạn không truy xuất thông tin đó và sử dụng các mạch, làm cách nào để các khớp thần kinh đó luôn kết nối?” McCabe suy đoán có thể đóng một vai trò trong việc duy trì các kết nối như vậy.
Sutton nói với The Scientist: “Bài báo này bổ sung thêm một quan điểm mới nổi rằng các sự kiện thu nhỏ và sự truyền tải gợi lên có những vai trò chức năng độc đáo trong các mạch thần kinh. “Rõ ràng, việc tìm hiểu các cơ chế phân tử theo đó các sự kiện thu nhỏ báo hiệu trong các tế bào thần kinh sau synap là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong tương lai.”
