Как мы учимся запоминать? На фундаментальном уровне все дело в химии и электричестве. Кальций и магний, известные своей ролью в питании, в мозге работают как ионы — заряженные частицы. Магний может блокировать канал внутри мозговых рецепторов, называемых NMDAR. Когда блокада снимается, кальций проходит через канал. Эти процессы позволяют мозгу выполнять важнейшие функции — учиться и запоминать. Ученые знали об этом давно. Но они не могли понять, как NMDAR различают кальций и магний. Ведь в таблице Менделеева эти элементы стоят рядом и несут одинаковый электрический заряд.
Американские исследователи из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) под руководством профессора Хиро Фурукавы и постдока Рубина Стейгервальда нашли ответ. Он связан с водой, обезвоживанием и молекулярной клеткой, которую удалось заснять на 50 тыс. кадров. Результаты открывают новые перспективы для понимания развития мозга и заболеваний.
Одно ключевое различие между кальцием и магнием — их отношение к воде. «Магний притягивает воду сильнее, чем кальций, — объясняет Фурукава. — С магния труднее удалить окружающие его молекулы воды, чем с кальция».
Еще с 1980-х годов ученые подозревали, что именно этим объясняется, почему кальций легче проходит через канал NMDAR. Однако наблюдать этот процесс было невозможно — технологии отставали от теории. Теперь, используя метод криоэлектронной микроскопии (одночастичная крио-ЭМ), Стейгервальд и его коллеги впервые продемонстрировали, как именно обезвоживание позволяет кальцию проходить через канал.
Стейгервальд сосредоточился на части канала, известной как «клетка Asn» (аспарагиновая клетка). Эта молекулярная клетка действует как фильтр, пропуская только достаточно маленькие молекулы. Снаружи фильтра исследователи увидели магний, окруженный водой, — он блокировал канал, как забитое макаронами сито. «Это сито», — поясняет Фурукава. Кальций, будучи менее «жадным» до воды, легче ее теряет и проходит через фильтр.
Понимание отношений кальция и магния с водой в клеточной среде раскрывает работу одного из ключевых молекулярных механизмов обучения и памяти, отметили ученые. Кроме того, «клетка Asn» уязвима для спонтанных мутаций, которые вызывают GRIN-расстройства — тяжелые нарушения развития. Многие пациенты с такими мутациями не говорят и не могут ходить, они часто страдают от тяжелых судорог. Чтобы понять механизм действия этих мутаций и, в конечном счете, разработать лечение, нужно было увидеть, как работает здоровый канал в мельчайших деталях. Исследование дало ученым самый четкий на сегодняшний день снимок этого процесса. Результаты опубликованы в научном журнале Nature Neuroscience.
Ранее Наука Mail рассказывала о новом методе МРТ, позволившем изучить структуру глаза с небывалой четкостью.
