Провозглашенное одним из самых важных достижений медицины, открытие общих анестетиков – соединений, которые вызывают бессознательное состояние, предотвращают контроль движений и блокируют боль – помогло превратить опасные и травматические операции в безопасные и рутинные операции. Но, несмотря на их важность, ученые до сих пор не понимают, как работают общие анестетики.
Теперь, в исследовании, недавно опубликованном в Journal of Neuroscience, исследователи из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) и Университета Нагои показали, как широко используемый общий анестетик, называемый изофлураном, ослабляет передачу электрических сигналов между нейронами, соединения, называемые синапсами.
"Важно отметить, что мы обнаружили, что изофлуран не блокирует передачу всех электрических сигналов одинаково; анестетик оказал сильнейшее влияние на высокочастотные импульсы, необходимые для таких функций, как познание или движение, в то время как он оказал минимальное влияние на низкочастотные импульсы, которые контролируют функции жизнеобеспечения, такие как дыхание," сказал профессор Томоюки Такахаши, возглавляющий отдел клеточной и молекулярной синаптической функции (CMSF) в OIST. "Это объясняет, как изофлуран может вызывать анестезию, предпочтительно блокируя высокочастотные сигналы."
В синапсах сигналы отправляются пресинаптическими нейронами и принимаются постсинаптическими нейронами. В большинстве синапсов общение происходит через химические мессенджеры или нейротрансмиттеры.
Когда электрический нервный импульс или потенциал действия достигает конца пресинаптического нейрона, это заставляет синаптические пузырьки – крошечные мембранные «пакеты», содержащие нейротрансмиттеры – сливаться с терминальной мембраной, высвобождая нейротрансмиттеры в промежуток между нейронами. Когда постсинаптический нейрон воспринимает достаточное количество нейротрансмиттеров, это запускает новый потенциал действия в постсинаптическом нейроне.
Подразделение CMSF использовало срезы мозга крысы для изучения гигантского синапса, называемого чашечкой Хельда. Ученые индуцировали электрические сигналы на разных частотах, а затем обнаружили потенциалы действия, генерируемые в постсинаптическом нейроне. Они обнаружили, что по мере увеличения частоты электрических сигналов изофлуран оказывал более сильное влияние на блокировку передачи.
Чтобы подтвердить выводы своего подразделения, Такахаши обратился к доктору. Такаюки Ямасита, исследователь из Университета Нагоя, проводивший эксперименты с синапсами, называемыми кортико-кортикальными синапсами, в мозге живых мышей.
Ямасита обнаружил, что анестетик воздействует на корково-корковые синапсы так же, как на чашечку Хельда. Когда мышей анестезировали изофлураном, высокочастотная передача сильно снижалась, в то время как влияние на низкочастотную передачу было меньше.
"Оба эти эксперимента подтвердили, что изофлуран действует как общий анестетик," сказал Такахаши. "Но мы хотели понять, какие механизмы, лежащие в основе изофлурана, нацелены на ослабление синапсов таким частотно-зависимым образом."
Отслеживание целей
В ходе дальнейших исследований исследователи обнаружили, что изофлуран снижает количество высвобождаемого нейромедиатора за счет снижения вероятности высвобождения везикул и уменьшения максимального количества везикул, которые могут высвобождаться за раз.
Поэтому ученые изучили, влияет ли изофлуран на ионные каналы кальция, которые играют ключевую роль в процессе высвобождения везикул. Когда потенциалы действия достигают пресинаптического терминала, каналы для ионов кальция в мембране открываются, позволяя ионам кальция проникать внутрь. Затем синаптические везикулы обнаруживают это повышение уровня кальция и сливаются с мембраной. Исследователи обнаружили, что изофлуран снижает приток кальция, блокируя каналы ионов кальция, что, в свою очередь, снижает вероятность высвобождения везикул.
"Однако этот механизм сам по себе не может объяснить, как изофлуран снижает количество высвобождаемых везикул или частотно-зависимый характер действия изофлурана," сказал Такахаши.
Ученые выдвинули гипотезу, что изофлуран может уменьшить количество высвобождаемых везикул, либо напрямую блокируя процесс высвобождения везикул путем экзоцитоза, либо косвенно блокируя рециркуляцию везикул, когда везикулы реформируются за счет эндоцитоза, а затем наполняются нейротрансмиттером, готовым к повторному высвобождению.
Путем электрического измерения изменений площади поверхности пресинаптической терминальной мембраны, которая увеличивается за счет экзоцитоза и уменьшается за счет эндоцитоза, ученые пришли к выводу, что изофлуран влияет только на высвобождение везикул за счет экзоцитоза, вероятно, блокируя экзоцитоз.
"Важно отметить, что мы обнаружили, что этот блок оказывает сильное влияние только на высокочастотные сигналы, предполагая, что этот блок на экзоцитарном механизме является ключом к анестезирующему эффекту изофлурана," сказал Такахаши.
Ученые предположили, что высокочастотные потенциалы действия вызывают такой массовый приток кальция в пресинаптический терминал, что изофлуран не может эффективно снижать концентрацию кальция. Таким образом, синаптическая сила ослабляется преимущественно прямым блокированием экзоцитарного аппарата, а не снижением вероятности высвобождения везикул.
Между тем, низкочастотные импульсы вызывают меньший экзоцитоз, поэтому блокировка изофлурана на экзоцитарный механизм оказывает незначительное влияние. Хотя изофлуран эффективно снижает поступление кальция в пресинаптический терминал, снижение вероятности высвобождения везикул само по себе недостаточно эффективно, чтобы блокировать постсинаптические потенциалы действия в чашечке Held, и оказывает лишь незначительное влияние на кортико-кортикальные синапсы. Таким образом сохраняется низкочастотная передача.
В целом серия экспериментов предоставляет убедительные доказательства того, как изофлуран ослабляет синапсы, вызывая анестезию.
"Теперь, когда мы разработали методы манипулирования и расшифровки пресинаптических механизмов, мы готовы применять эти методы для решения более сложных вопросов, таких как пресинаптические механизмы, лежащие в основе симптомов нейродегенеративных заболеваний," сказал Такахаши. "Это будет нашим следующим вызовом."