文摘
理解大脑中的神经细胞之间的沟通是理解大脑是如何工作的关键。神经细胞之间的交流涉及化学发送的消息从一个细胞,转化为接收细胞电活动。这个电活动的核心语言的神经细胞和整个大脑。化学信息如何发布在一个细胞结果在另一个神经细胞的电活动,这和我们如何发现?让我们一起潜水进入神经细胞交流的的世界。我将告诉你关于我们的实验,这使我们能够找到最基本的组件的电活动brain-ion频道。离子通道的发现铺平了道路理解大脑电活动的起源和其他器官如心脏。这一发现提供了新的见解的发展药物治疗各种用电疾病,如癫痫和心率紊乱。
伯特教授Sakmann赢得了1991年诺贝尔生理学或医学奖,会同Erwin Neher而言,他们发现关于单一离子通道的功能细胞。
细胞相互沟通如何?
你的身体和其他生活的身体是由细胞生命的基本构建块。每个单元都是一个个体单位,有自己的独立的功能,和整个多细胞生物的一部分(如大脑和心脏),需要以协调的方式运作。每一个细胞周围是一个清晰的物理边界,称为细胞膜,它把细胞从外部内容(细胞外)环境和从其他细胞。膜允许每个细胞有一个定义的室内环境和执行自己的专门功能。但是,由于单个细胞结构的一部分,大多数细胞,尤其是神经细胞必须与其他细胞。细胞如何互相沟通,如果他们由细胞膜屏障?有几种机制,使细胞相互沟通。最常见的方法之一,我们将关注这里,是细胞向接收发送一种化学信使物质细胞(1]。通过检测这种物质,接收细胞“知道”,一个信号被送到另一个细胞,并相应接收细胞反应。
神经细胞之间的沟通
神经细胞大脑的基本构建块,”“电力的语言说话。在每一个时刻,每个神经细胞显示了特定的电活动,产生一组简单的电脉冲称为峰值。连同其他大型网络的神经细胞活跃,整个大脑中生成“电气交响曲”。神经细胞的电活动在大型网络在我们大脑与我们行为的方方面面和经验;我们的行动、思想、感受和记忆。
神经细胞相互沟通如何创建这样一个协调”电气交响乐吗?“神经细胞之间的沟通是更复杂的比其他细胞类型之间的通信,因为它包括化学和电子元件。这种通信发生在一个特定的细胞之间的接触位置突触,是由两个基本步骤。首先,发送方细胞分泌(排放)一种化学物质,叫做神经递质(1),到细胞外空间(差距)之间发送和接收单元。当神经递质到达(通过扩散)在接收细胞,它绑定到特定的受体,因此,离子开始流在这个细胞的膜。结果,生成电活动在接收单元(图1)。
- 图1 -传递神经细胞之间的突触。
- 神经细胞之间的通信发生在一个特定的细胞称为突触之间的接触位置。首先,传输(突触前)神经细胞(细胞)会释放一种化学物质,称为神经传递素,细胞之间的小空间。神经递质跨越这种差距,结合接收(后突触)神经细胞(细胞B)。因此,在突触后细胞的细胞膜离子通道开放通过离子开始流动,形成一个电信号称为峰值(蓝圈)。
离子和膜通道在神经细胞
大部分的大脑中的电流是由一小群生成的离子尤其是四线。三种离子带正电的钠-Na+、钾-K+和钙,Ca+ +),一个是带负电(氯-Cl- - - - - -)。这些离子可以进入或退出通过神经细胞的细胞膜。当他们做的,他们改变了电势双方的细胞膜。这些快速变化的电势在神经膜构成的生成基本电气“单词”(或“钻头”)神经细胞使用;的电信号称为峰值(图1)。你能想到的飙升的短螺栓lightning-a短暂变换(1 ms,秒)和小(十分之一伏特,或100毫伏)电脉冲,这发生在当他们是活跃的神经细胞。
怎么这些离子穿过膜屏障的神经细胞产生电活动?如何释放的神经递质从一个细胞转化为在接收细胞电活动吗?必须有一些途径离子穿过,否则绝缘,接收单元的膜。当我开始研究这个领域时,离子穿过神经细胞膜的机制还不清楚。
使用一种特殊的实验技术,我和我的同事,开发(Erwin Neher教授2),我们发现离子做通过膜的双方,根据他们的化学梯度。我们发现离子跨膜的膜通过小“洞”,称为毛孔。这些孔是蛋白质,作为渠道连接外部和内部的细胞。由于离子通过这些孔的物质,他们被称为离子通道(图2)。我们发现,离子通道在神经递质反应迅速打开和关闭。特定离子通道的打开和关闭(例如,渠道特定Na+离子或K+离子)使离子穿过细胞膜的流动。反过来,这个电流,改变了跨膜电势。作为回应,接收细胞生成活泼的提高了基本的电子大脑中的“单词”。
- 图2 -离子通道在神经膜。
- 离子通道(紫色)的孔(孔)的蛋白质,它们位于神经细胞的细胞膜。在接收(突触后细胞(见)图1)这些渠道通常关闭(左)但他们成为开放(右)在回应从突触前神经递质释放的细胞。膜离子通道的开放使流动的离子跨膜(橙色球),这是基本的机制产生神经细胞的电活动。
发现离子通道:膜片钳技术
当内尔教授和我开始研究在神经细胞离子流,我们考虑两个主要离子传输机制,可能会在工作中。第一个机制涉及运输的分子。根据这一想法,特定的分子膜“抓住”一个离子,通过从细胞外到内,并释放它。这种机制是发生在其他生理过程,如在能源生产,营养分子通过细胞膜通过运输的分子。
第二个可能的机制,我们认为,后来被我们的实验证实,在细胞膜离子通道存在的特定的离子。这些渠道可以是打开或关闭。当打开时,电流可以流膜的双方,连接细胞的外部环境对其室内环境(图2)。检查是否这个机制负责运输离子进出细胞的代的高峰期间,我们不得不研究电活动造成离子穿过膜通过单独的离子通道。要做到这一点,我们必须隔离一个很小的区域,或“补丁”,神经细胞的膜,希望测量电流通过一个单一的离子通道,可能存在于这个小块。如果离子通道的存在,那么我们希望测量一定模式的电活动相应的离子通道的开启和关闭,这是不同的比电模式预期如果运输分子被用来移动离子跨膜。
执行这种电流测量,我们必须克服两个主要的挑战。首先,我们必须测量离子跨膜通道流动的小片膜,而不会损失任何当前。这是困难的,因为如果没有录音设备密封膜,离子跨膜通过通道之前可能逃脱侧向进入探测装置。因此,我们需要确保离子穿过膜被迫流彻底的探测器。
第二个挑战是区分两种类型的电流流过神经细胞膜。事实证明,膜总是电活跃的现象,称为背景噪音。背景噪音出现恒定的电活动,不同于电活动有关的离子通过细胞膜的流动来响应神经递质。可以非常大的背景噪音相比,当前,我们想测量单个膜通道的开放。因此,我们必须找到一个方法来减少背景噪音,这样它不会压倒(或“面具”)通过单一离子通道电流。
我们解决这两个挑战通过使用一个非常薄的玻璃管称为吸管,小费大约一微米直径(毫米)的变换(图3一)。吸管的另一端有一个安培表,电流的措施。吸管的尖端强烈压在一小块的细胞膜和吸入,创造一个非常吸管提示和膜之间的紧密联系以确保没有离子可能发生的泄漏。录音从这样的一小块膜也降低背景噪音,因此,提高了记录的离子通过离子通道的流动。
通过离子通道电流
神经递质不在跟前的时候,我们发现,没有电流通过观察通道,只有轻微的背景噪音(图3 b)。当一种神经递质边界膜、离子通道打开很快,梯状的方式,使一个微小的电流的流动几个微微安培1跨膜(2- - - - - -4]。引起的神经递质释放通道再次关闭(图3 b)。我们发现,离子通道的开放或关闭只呆毫秒第二的变换(毫秒)和开放状态的持续时间和机会之间的时间间隔的渠道多种多样,由于神经递质分子零星的绑定。正如您可以看到的图3 b,当前的振幅当它流过明渠很不变。
后测量小电流流过膜补丁和做一些计算,我们估计约10000离子穿过小片膜每一毫秒。这告诉我们,离子通道的开放,而非离子的运输通过运输分子机制使离子在细胞膜!运输分子运输太慢离子跨膜以如此高的速度。这是一个重要的发现,因为它证实了离子通道的存在和功能为基本机制产生电活动,包括峰值,在神经细胞。这些离子通道还负责其他“兴奋”的一代的电活动组织,如外围肌肉和心脏。
此外,它是重要的去理解膜离子通道的功能,因为许多神经系统疾病(以及心脏疾病和其他身体组织)是由于离子通道障碍。因此,新学期”channelopathies2”这个概念是用来描述疾病的家人(非常大)由离子通道的功能缺陷引起的。基于膜离子通道的发现及其功能,我和同事Erwin内尔教授被授予1991年诺贝尔医学或生理学奖。
对年轻人的建议
首先我将告诉你最重要的事我学会了从我的科学主管,伯纳德·卡茨教授,他也获得了1970年诺贝尔生理学或医学奖。他告诉我,你需要为你的成绩是非常关键的,总是准备好新发现可能无效你以前的结果可能是不愉快的。我试着通过这节课我的学生,教他们至关重要的结果。特别是在生物组织中,有许多影响我们无法控制,必须考虑。因此,当我的学生有一个新的发现,我建议他们保密一段时间和重复他们的实验,试图使他们的结果一遍又一遍。他们应该只发表他们的研究成果一旦完全相信这些结果是正确的。
从更一般的人生观,在我看来一个好的生活就是你思考的东西,给了你机会,跟随你的好奇心和可能发现一些新的东西。在别人的观点,一个好的生活就意味着赚很多钱或被他人认可,这是完全好。我认为是最好的选择你可以成为一个科学家,但只有如果你好奇的天性。不要试图成为一个科学家,因为你认为这是一个迷人的职业。如果你的内脏不燃烧的冲动找到东西,最好选择另一个profession-one做让你兴奋和激情燃烧。
额外的材料
术语表
神经细胞:↑主要的细胞的大脑。神经细胞产生大脑的电活动。
突触:↑两个神经细胞之间的接触点,组成的一个小缺口,化学物质足够的neurotransmitter-passes从发送单元(突触前细胞)接收单元(突触后细胞)。
神经递质:↑从一个神经细胞释放的化学物质和接收到另一个神经细胞,使神经细胞之间的沟通。
扩散:↑自发运动的过程中颗粒无向从一个地方移动到另一个。
离子:↑一个粒子与正或负电荷。
电势:↑负责两个点之间的差异,在我们的案例中双方的膜。离子的正电荷流动将更加积极的一面不积极的一面。
化学梯度:↑一种物质的浓度在不同的位置。的物质,在我们的案例中离子在膜的两面,“向下”梯度,从侧面浓度较高的浓度较低。
离子通道:↑一个小洞(孔)由蛋白质构成的细胞膜中,当打开,可以通过离子进出细胞。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
我要感谢诺亚戈夫进行面试,作为本文的基础,和与人合写。
脚注
1。↑微微安培(pA)是用来测量很小的电currents-one pA是10-12年安培。
2。↑看到一群疾病引起的离子通道的功能紊乱https://en.wikipedia.org/wiki/Channelopathy。
引用
[1]↑Katz, b . 1971。量子神经递质释放的机制。科学。173:123-6。
[2]↑内尔,E。,Sakmann b . 1992。膜片钳技术。科学。点。266:44-51。
[3]↑哈米尔,o . P。,Sakmann b . 1981。多个单个乙酰胆碱受体通道的电导州胚胎肌肉细胞。自然。294:462-4。
[4]↑鲍曼,J。哈米尔,o . P。,Sakmann b . 1987。负离子渗透机制通过通道封闭的甘氨酸和γ-氨基丁酸在小鼠培养脊髓神经元。j .杂志。385:243 - 86。