Cercetătorii descoperă rolul apei în învățare și memoria creierului
Cum învățăm să ne amintim? La cel mai fundamental nivel, totul se reduce la chimie și electricitate.
Pe lângă rolurile lor în dietă și nutriție, calciul și magneziul funcționează ca ioni, sau particule încărcate, în creier. Magneziul poate bloca un canal găsit în receptorii cerebrali cunoscuți sub numele de NMDAR. Atunci când blocajul este ridicat, calciul poate trece prin canal. Aceste procese permit creierului să efectueze funcții esențiale, cum ar fi învățarea și memoria.
Cercetătorii au cunoscut toate acestea de ceva vreme. Ceea ce nu reușiseră să descopere era cum NMDAR fac distincția între calciu și magneziu. Acum, profesorul Hiro Furukawa de la Cold Spring Harbor Laboratory, postdoctorandul Rubin Steigerwald și colegii săi au găsit un răspuns care ar putea avea implicații pentru dezvoltarea creierului și boli. Acesta implică apa, deshidratarea și o cușcă moleculară surprinsă în 50.000 de filme.
Dacă te gândești la clasa de chimie, s-ar putea să îți amintești că calciul și magneziul se află aproape unul de celălalt pe tabla periodică. De asemenea, ambele au aceeași sarcină electrică. Acest lucru face dificilă distincția între ele. O diferență cheie este că „magneziul atrage apa mai puternic decât calciul”, afirmă Furukawa. „Este mai greu să elimini moleculele de apă care înconjoară magneziul decât pe cele care înconjoară calciul.”
Începând din anii 1980, oamenii de știință au crezut că acest lucru ar putea explica de ce calciul trece mai ușor prin canalul NMDAR. Părea logic. Totuși, era imposibil de observat. Au fost necesare decenii pentru ca tehnologia de imagistică și puterea de calcul să ajungă la nivelul teoriei. Dar acum, folosind o metodă numită cryo-EM cu particule unice, Steigerwald și colegii săi au demonstrat cum deshidratarea permite calciului să treacă prin canalul NMDAR.
Steigerwald s-a concentrat pe o parte a canalului cunoscută sub numele de cușca Asn. Această cușcă moleculară acționează ca un filtru, permițând doar moleculelor suficient de mici să treacă. În afara filtrului, echipa a observat magneziul înconjurat de apă, blocând canalul. Dacă îți imaginezi o sită de spaghete înfundată, ai dreptate. „Este o sită,” explică Furukawa.
Așadar, acest lucru acoperă apa, deshidratarea și cușca moleculară. Dar cum se leagă cele 50.000 de filme de întreaga poveste? „Este totul despre rezoluție,” spune Furukawa.
Gândește-te la natura fluidă a apei. Ea este în continuă mișcare. Urmărirea mișcării câtorva molecule de apă necesită o rezoluție ridicată. Imaginile cryo-EM cu particule unice te duc o parte din drum. Dar pentru a vedea cu adevărat ce se întâmplă, trebuie să iei milioane de imagini din unghiuri diferite. Aici intervine puterea cryo-EM de la CSHL și a nucleelor de calcul de înaltă performanță. În plus, echipa lui Furukawa și-a confirmat observațiile folosind electrofiziologie.
De ce să treci prin toate aceste eforturi? Amintește-ți, nu discutăm doar despre substanțe chimice. Privim una dintre caracteristicile moleculare cheie ale învățării și memoriei. În plus, cușca Asn este susceptibilă la mutații spontane legate de tulburările GRIN, care provoacă dizabilități severe de dezvoltare. Mulți pacienți cu aceste mutații sunt nonvorbitori și incapabili să meargă. Ei experimentează adesea crize severe. Pentru a înțelege efectele acestor mutații, trebuie să știi ce anume urmărești. Acest studiu oferă cercetătorilor cea mai clară imagine de până acum.
