Một giản đồ của paCaMKII. Miền LOV2-Jα có nguồn gốc từ protein thực vật, phototropin 1, được hợp nhất với protein kinase II (CaMKII) phụ thuộc canxi / calmodulin. Sự hấp thụ ánh sáng xanh gây ra sự thay đổi cấu trúc thuận nghịch của miền LOV2, dẫn đến sự phân ly của miền kinase. Kinase được giải phóng có cấu trúc này sẽ kích hoạt các phân tử truyền tín hiệu xuôi dòng cần thiết cho sự cảm ứng tính dẻo của khớp thần kinh. Credit: Hideji Murakoshi

Tế bào thần kinh là các tế bào chính của hệ thần kinh, và các tín hiệu được truyền giữa chúng chịu trách nhiệm cho tất cả các hành động và khả năng nhận thức của chúng ta. Đặc biệt, học tập và trí nhớ được cho là có liên quan đến một quá trình được gọi là ‘tiềm lực dài hạn’, là sự tăng cường kết nối giữa các tế bào thần kinh cụ thể thông qua việc truyền tín hiệu liên tục thông qua các khớp thần kinh (khoảng trống nhỏ giữa các tế bào thần kinh). Điện thế lâu dài có thể thay đổi kết nối giữa các tế bào thần kinh thông qua các khớp thần kinh – bằng cách thay đổi kích thước và thành phần của chúng. Hiểu được mức độ tiềm ẩn dài hạn xảy ra như thế nào có thể có giá trị để làm rõ cách bộ não của chúng ta học hỏi và lưu giữ kiến ​​thức mới. Một nhóm các nhà khoa học đến từ Nhật Bản hiện đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc tìm hiểu về quyền lực dài hạn.

Một cách để nghiên cứu điện thế dài hạn là sử dụng di truyền quang học, tức là, kích hoạt tế bào thần kinh và theo dõi phản ứng của chúng khi kích thích ánh sáng. Di truyền học quang học cho phép các nhà khoa học kích hoạt các tế bào thần kinh đơn lẻ và mổ xẻ cách thức các tế bào thần kinh hoạt động trong mạng lưới tế bào thần kinh. Như vậy, di truyền quang học là một tiến bộ mang tính cách mạng trong nghiên cứu khoa học thần kinh, nhưng các công cụ di truyền quang học để sửa đổi các khớp thần kinh đơn lẻ (gai) vẫn chưa được phát triển cho đến nay. Đây là một vấn đề vì các đường dẫn truyền tín hiệu của tế bào thần kinh có thể có những tác động cụ thể đến cột sống. Đặc biệt, protein CaMKII, rất quan trọng đối với tiềm năng lâu dài, được kích hoạt bởi phân tử glutamate theo cách đặc trưng cho cột sống, nhưng chính xác những gì xảy ra tại các khớp thần kinh trong quá trình kích hoạt vẫn còn là một bí ẩn.

May mắn thay, một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Sinh lý Quốc gia, Nhật Bản, do Tiến sĩ Hideji Murakoshi đứng đầu, đã giải quyết được vấn đề này. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp CaMKII với một vùng cụ thể của tế bào cảm thụ ánh sáng thực vật (một loại tế bào phản ứng với ánh sáng). Miền này được gọi là LOV2-Jα khiến CaMKII trở nên nhạy cảm với ánh sáng, sau đó chúng biểu hiện CaMKII có thể quang hóa mới này trong các loại tế bào thần kinh cô lập khác nhau và ở chuột sống. Phát hiện của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Tiến sĩ Murakoshi giải thích: “Chúng tôi rất vui mừng khi phát hiện ra rằng việc kích hoạt CaMKII sẽ gây ra một số tác dụng quan trọng, đặc biệt là chiêu mộ các thụ thể gây ra phản ứng dây chuyền, dẫn đến khả năng lâu dài. Quá trình thay đổi vật lý các gai đuôi gai, mở rộng chúng, một kết quả mà các nhà khoa học cũng quan sát thấy trong các thí nghiệm của họ. Quan trọng là, tất cả những gì cần thiết để quá trình này xảy ra là sự kích hoạt CaMKII — nói theo thuật ngữ khoa học, sự kích hoạt CaMKII là đủ để tạo ra sự phát triển lâu dài của các gai đuôi gai riêng lẻ, điều chưa được chứng minh trước đây. Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng công nghệ hình ảnh dựa trên ánh sáng và CaMKII được kích hoạt bằng ánh sáng để xác định phân tử tín hiệu nào được kích hoạt trong quá trình phân áp dài hạn. Tất cả những phát hiện này kết hợp với nhau để cung cấp một bức tranh tốt hơn về cách tiềm năng lâu dài xảy ra ở cấp độ khớp thần kinh.

Tiến sĩ Murakoshi nhận xét: “Ngoài những thông tin quý giá mà chúng tôi đã khám phá về một quá trình thần kinh quan trọng, CaMKII được kích hoạt bằng ánh sáng của chúng tôi là một bổ sung quan trọng cho các công cụ di truyền quang học hiện có”, Tiến sĩ Murakoshi nhận xét khi được hỏi về ý nghĩa của công việc của họ. “Chúng tôi đã tạo ra một thứ có thể được sử dụng để điều khiển tín hiệu tế bào thần kinh và điều tra tính dẻo của khớp thần kinh – hoặc những thay đổi sinh lý xảy ra ở các khớp thần kinh riêng lẻ trong các sự kiện như hình thành trí nhớ.”

Các nhà khoa học lạc quan rằng với sự phát triển hơn nữa, khả năng điều khiển các khớp thần kinh cũng có ý nghĩa quan trọng đối với việc điều trị các bệnh về não (chẳng hạn như chứng tự kỷ) — một kỳ tích đáng kể cho khoa học thần kinh!

Nguồn: medicalxpress