Органы чувств, которые позволяют нам ходить, танцевать и поворачивать голову без головокружения или потери равновесия, содержат специализированные синапсы, которые обрабатывают сигналы быстрее, чем любые другие в человеческом теле.

В результате открытия, которое готовилось более 15 лет, небольшая группа неврологов, физиков и инженеров из нескольких институтов раскрыла механизм работы синапсов, проложив путь для исследований, которые могут улучшить лечение головокружения и нарушений равновесия, которыми страдает каждый третий американец старше 40 лет.

Новое исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences описывает работу "вестибулярных синапсов волосковых клеток-каликса", которые находятся в органах внутреннего уха, ощущающих положение головы и движения в разных направлениях.

"Никто до конца не понимал, как этот синапс может быть таким быстрым, но мы пролили свет на эту загадку", - сказал Роб Рафаэль, биоинженер Университета Райса, который стал соавтором исследования вместе с Рут Энн Иток из Чикагского университета, Анной Лысаковски из Университета Иллинойса в Чикаго, нынешним аспирантом Университета Райса Аравиндом Ченраяном Говиндараджу и бывшим аспирантом Университета Райса Имраном Курайши, который сейчас является доцентом Йельского университета.

Синапсы - это биологические соединения, через которые нейроны могут передавать информацию друг другу и другим частям тела. Человеческое тело содержит сотни триллионов синапсов, и почти все они обмениваются информацией посредством квантовой передачи - формы химической сигнализации с помощью нейротрансмиттеров, которой требуется не менее 0,5 миллисекунды для передачи информации через синапс.

Предыдущие эксперименты показали, что более быстрая, "неквантовая" форма передачи информации происходит в синапсах вестибулярных волосковых клеток-каликсов - местах, где чувствительные к движению вестибулярные волосковые клетки встречаются с афферентными нейронами, которые соединяются непосредственно с мозгом. Новое исследование объясняет, как эти синапсы работают так быстро.

В каждом из них нейрон, принимающий сигнал, окружает конец волосковой клетки своего партнера большой чашеподобной структурой, называемой чашечкой. Чашечка и волосковая клетка остаются разделенными крошечным промежутком, или щелью, размером всего в несколько миллиардных долей метра.

"Вестибулярная чашечка - это чудо природы", - говорит Лисаковски. Ее большая чашеобразная структура - единственная в своем роде во всей нервной системе". Структура и функция тесно связаны, и природа, очевидно, потратила много энергии на создание этой структуры. Мы долгое время пытались выяснить ее особое назначение".

На основе ионных каналов, выраженных в волосковых клетках и связанных с ними чашечках, авторы создали первую вычислительную модель, способную количественно описать неквантовую передачу сигналов через этот наноразмерный зазор. Моделирование неквантовой передачи позволило команде исследовать, что происходит во всей синаптической щели, которая в вестибулярных синапсах более обширна, чем в других синапсах.

"Оказалось, что механизм довольно тонкий, с динамическими взаимодействиями, порождающими быстрые и медленные формы неквантовой передачи", - сказал Рафаэль. "Чтобы понять все это, мы создали биофизическую модель синапса на основе его детальной анатомии и физиологии".

Модель имитирует реакцию напряжения в чашечке на механические и электрические стимулы, отслеживая поток ионов калия через активируемые низким напряжением ионные каналы от пресинаптических волосковых клеток к постсинаптической чашечке.

Рафаэль сказал, что модель точно предсказывает изменения калия в синаптической щели, предоставляя ключевые новые знания об изменениях электрического потенциала, которые отвечают за быстрый компонент неквантовой передачи; объясняет, как только неквантовая передача может вызвать потенциалы действия в постсинаптическом нейроне; и показывает, как быстрая и медленная передача зависит от тесной и обширной чашечки, образованной чашечкой на волосковой клетке.

Иток сказал: "Ключевой способностью была возможность предсказать уровень калия и электрический потенциал в каждом месте щели. Это позволило команде проиллюстрировать, что размер и скорость неквантовой передачи зависят от новой структуры чашечки". Исследование демонстрирует возможности инженерных подходов для выяснения фундаментальных биологических механизмов, что является одной из важных, но иногда упускаемых из виду целей биоинженерных исследований".

Курайши начал строить модель и сотрудничать с Иток в середине 2000-х годов, когда он был аспирантом в исследовательской группе Рафаэля, а она была преподавателем Медицинского колледжа Бейлора, расположенного всего в нескольких кварталах от Райса в Техасском медицинском центре Хьюстона.

Его первая версия модели отражала важные особенности синапса, но, по его словам, "наши знания о конкретных калиевых каналах и других компонентах, составляющих модель, были слишком ограничены, чтобы утверждать, что она была полностью точной".

С тех пор Иток, Лисаковски и другие открыли ионные каналы в чашечке, что изменило понимание учеными того, как ионные токи проходят через мембраны волосковых клеток и чашечки.

Кураши сказал: "Незавершенная работа тяготила меня", и он испытал одновременно облегчение и радость, когда Говиндараджу, аспирант кафедры прикладной физики, присоединился к лаборатории Рафаэля и возобновил работу над моделью в 2018 году.

"К тому времени, когда я начал работать над проектом, все больше данных подтверждали неквантовую передачу", - сказал Говиндараджу. "Но механизм, особенно механизм быстрой передачи, был неясен. Создание модели позволило нам лучше понять взаимодействие и назначение различных ионных каналов, структуру чашечки и динамические изменения калиевого и электрического потенциала в синаптической щели".

Рафаэль сказал: "Одним из моих самых первых грантов была разработка модели ионного транспорта во внутреннем ухе. Всегда приятно получить единую математическую модель сложного физиологического процесса. В течение последних 30 лет - с момента первоначального наблюдения неквантовой передачи - ученые задавались вопросами: "Почему этот синапс работает так быстро?" и "Связана ли скорость передачи с уникальной структурой чашечки?". Мы дали ответы на оба вопроса".

По его словам, связь между структурой и функцией чашечки "является примером того, как эволюция приводит к морфологической специализации. Можно привести убедительные аргументы в пользу того, что как только животные вышли из моря и начали передвигаться по суше, качаться на деревьях и летать, к вестибулярной системе предъявлялись повышенные требования, чтобы быстро информировать мозг о положении головы в пространстве. И в этот момент появилась чашечка".

По словам Рафаэля, модель открывает возможности для более глубокого изучения обработки информации в вестибулярных синапсах, включая исследование уникальных взаимодействий между квантовой и неквантовой передачей.

По его словам, модель также может стать мощным инструментом для исследователей, изучающих передачу электричества в других частях нервной системы, и он надеется, что она поможет тем, кто разрабатывает вестибулярные имплантаты - нейропротезы, способные восстанавливать функции тех, кто потерял равновесие.