Молекулярна нейронаука — це розділ нейронауки, який вивчає концепції молекулярної біології, застосовані до нервової системи. Ця галузь зосереджується на молекулярних основах функціонування мозку та діяльності нервової системи. Молекулярна нейронаука охоплює такі теми, як молекулярна нейроанатомія, механізми молекулярної сигналізації в нервовій системі, вплив генетики та епігенетики на розвиток нейронів, а також молекулярні основи нейропластичності та нейродегенеративних захворювань — вивчаючи все це на молекулярному рівні.

Як і молекулярна біологія, молекулярна нейронаука є відносно новою галуззю, яка бурхливо розвивається. Вивчаючи молекулярні структури та взаємодію нейронів і гліальних клітин, дослідники молекулярної нейронауки досліджують таємниці функціонування та дисфункції мозку та розробляють нові методи лікування неврологічних розладів. За останні кілька десятиліть молекулярна нейронаука стала міждисциплінарною галуззю, що швидко розвивається, спираючись на методи біохімії та нейрохімії, генетики й епігенетики, біофізики, нейрофізіології, нейровізуалізації тощо.

Історія Поле молекулярної нейронауки сягає корінням у середину 20-го століття, коли дослідники почали розгадувати хімічні та молекулярні основи нейротрансмісії — передачі сигналів нейронами, переважно завдяки нейромедіаторам. У 1950-х і 1960-х роках дослідження таких учених, як Бернард Кац, Ульф фон Ейлер і Джульєс Аксельрод, привели до відкриття нейромедіаторів і розробки концепції синаптичної передачі.

У 1970-х і 1980-х роках прогрес у методах молекулярної біології дозволив клонувати та охарактеризувати багато рецепторів нейромедіаторів та іонних каналів. Ці відкриття привели до глибшого розуміння молекулярних механізмів передачі нейронних сигналів і забезпечили нові цілі для розробки ліків.

У 1990-х і 2000-х роках галузь молекулярної нейронауки розширилася, щоб охопити вивчення нейронного розвитку та нейропластичності. Дослідники почали ідентифікувати молекулярні шляхи та сигнальні молекули, що беруть участь у диференціації нейронів, синаптогенезі та синаптичній пластичності.

Сьогодні молекулярна нейронаука — це галузь, що швидко розвивається, і охоплює широкий спектр тем, від генетичної основи неврологічних розладів до розробки нових методів лікування захворювань мозку. Дослідники використовують такі передові методи, як оптогенетика, секвенування окремих клітин і візуалізація мозку, щоб отримати нові знання про молекулярну основу функції та дисфункції мозку.

Молекуляні основи нейротрансмісії Молекулярні основи передачі нейронних сигналів відноситься до складної серії подій, які відбуваються на молекулярному рівні для забезпечення зв’язку між нейронами та іншими клітинами нервової системи. На самому базовому рівні передача нейронних сигналів включає вивільнення нейромедіаторів з одного нейрона, які потім зв’язуються з рецепторами іншого нейрона для передачі сигналу.

Вивільнення нейромедіаторів опосередковується різноманітними молекулярними механізмами, включаючи відкриття напругозалежних кальцієвих каналів у пресинаптичному нейроні та подальше злиття синаптичних везикул із плазматичною мембраною пресинаптичного нейрона. Після вивільнення нейромедіатори зв’язуються зі специфічними рецепторами постсинаптичного нейрона, запускаючи каскад внутрішньоклітинних сигнальних подій, які зрештою призводять до змін у активності нейронів.

Молекулярні компоненти нейронної сигналізації включають іонні канали, рецептори нейромедіаторів, внутрішньоклітинні сигнальні молекули та цитоскелетні білки. Іонні канали відіграють вирішальну роль у генеруванні та передачі електричних сигналів у нейронах, забезпечуючи швидке поширення потенціалів дії вздовж аксонів. Рецептори нейромедіаторів, включаючи ліганд-керовані іонні канали та G-білкові рецептори, опосередковують вплив нейромедіаторів на постсинаптичні нейрони.

Внутрішньоклітинні сигнальні молекули, такі як циклічний АМФ, іони кальцію та протеїнкінази, відіграють ключову роль у модулюванні активності та пластичності нейронів. Білки цитоскелета, такі як актин і мікротрубочки, також важливі для підтримки структури і функції нейронів і регуляції синаптичної пластичності.

Загалом, молекулярна основа передачі нейронних сигналів є складним і динамічним процесом, який включає широкий спектр молекулярних компонентів і сигнальних шляхів. Розуміючи молекулярні механізми, що лежать в основі передачі нейронних сигналів, дослідники сподіваються отримати нові знання про функціонування мозку та нервової системи, а також розробити нові методи лікування неврологічних розладів.

Розташування нейромедіаторів На молекулярному рівні зв'язок між нейронами, зазвичай, відбувається шляхом хімічної передачі через проміжки між клітинами, які називаються синапсами. Хімічні речовини, що передаються, відомі як нейромедіатори (нейротрансмітери), регулюють значну частину життєво важливих функцій організму.

За допомогою методів маркування можливо визначити місцезнаходження конкретних нейромедіаторів. Також можливо хімічно ідентифікувати певні нейромедіатори, наприклад, катехоламіни, шляхом фіксації зрізів нервової тканини формальдегідом. Це може призвести до флуоресценції, спричиненої формальдегідом, під впливом ультрафіолетового світла. Дофамін був ідентифікований у нематоди C. elegans за допомогою цієї методики.

Імуноцитохімія — ще одна цікава методика, яка передбачає вироблення антитіл проти цільових хімічних або біологічних об'єктів. Досліджуваний нейромедіатор може бути спеціально позначений первинними та вторинними антитілами з радіоактивним маркуванням, щоб ідентифікувати нейромедіатор авторадіографією. Наявність нейромедіаторів (хоча не обов'язково розташування) можна спостерігати за допомогою імуноцитохімії з ферментами або імуноферментних аналізів (ELISA), у яких зв'язування субстрату в ферментативних аналізах може індукувати преципітати, флуорофори або хемілюмінесценцію.

У випадку, якщо нейромедіатори неможливо ідентифікувати гістохімічно, альтернативним методом є визначення їх місцезнаходження за механізмами нейронного поглинання.

Напругозалежні іонні канали

Збудливі клітини в живих організмах мають потенціалзалежні іонні канали. Їх можливо спостерігати по всій нервовій системі в нейронах. Першими охарактеризованими іонними каналами були натрієві та калієві іонні канали А. Л. Ходжкіна та А. Ф. Хакслі в 1950-х роках після вивчення гігантського аксона кальмарів роду Loligo. Їхні дослідження продемонстрували вибіркову проникність клітинних мембран, залежну від фізіологічних умов, і електричні ефекти, які є результатом цієї проникності для створення потенціалів дії.

Іонні натрієві канали Натрієві канали були першими напругозалежними іонними каналами, виділеними Шосаку Нумою в 1984 році у вугра Electrophorus electricus. Токсин риби-фугу тетродотоксин (ТТХ), блокатор натрієвих каналів, був використаний для виділення білка натрієвого каналу шляхом його зв'язування за допомогою техніки колонкової хроматографії для хімічного розділення. Амінокислотну послідовність білка аналізували за допомогою деградації Едмана, а потім використовували для створення бібліотеки комплементарних ДНК, яку можна було б використовувати для клонування канального білка. Клонування самого каналу дозволило використовувати такі програми, як ідентифікація тих самих каналів в інших тварин. Відомо, що натрієві канали працюють узгоджено з калієвими під час розвитку градуйованих потенціалів і потенціалів дії. Натрієві канали забезпечують приплив іонів Na+ до нейрона, що призводить до деполяризації мембранного потенціалу спокою нейрона, що призводить до градуйованого потенціалу або потенціалу дії, залежно від ступеня деполяризації.

Іонні калієві канали Калієві канали бувають різноманітних форм, присутні в більшості еукаріотичних клітин і, як правило, мають тенденцію стабілізувати клітинну мембрану на рівні потенціалу калієвої рівноваги. Як і у випадку з іонами натрію, градуйовані потенціали та потенціали дії також залежать від калієвих каналів. Тоді як приплив іонів Na+ до нейрона викликає деполяризацію клітини, вихід іонів K+ з нейрона викликає реполяризацію клітини до потенціалу спокою мембрани. Активація самих калієвих іонних каналів залежна від деполяризації в результаті надходження Na+ під час потенціалу дії.

Як і натрієві канали, калієві канали мають власні токсини, які блокують дію білка каналу. Прикладом такого токсину є великий катіон, тетраетиламоній (TEA), але слід зазначити, що токсин не має однакового механізму дії на всі калієві канали, враховуючи різноманітність типів каналів у різних видів. Наявність калієвих каналів було вперше виявлено у мух-мутантів Drosophila melanogaster, які неконтрольовано тремтіли під час анестезії через проблеми в клітинній реполяризації, що призвело до аномальної електрофізіології нейронів і м'язів. Калієві канали вперше були ідентифіковані шляхом маніпулювання молекулярною генетикою (мух) замість очищення білка каналу, оскільки на момент відкриття не було відомих високоафінних лігандів для калієвих каналів (таких як TEA).

Іонні кальцієві канали Кальцієві канали важливі для певних клітинних сигнальних каскадів, а також для вивільнення нейромедіаторів в синапси з кінців аксонів. Різні типи іонних кальцієвих каналів знайдено в збудливих клітинах. Як і канали іонів натрію, канали іонів кальцію були виділені та клоновані методами хроматографічного очищення. Примітно, як і у випадку вивільнення нейромедіаторів, що кальцієві канали можуть взаємодіяти з внутрішньоклітинними білками та відіграють значну роль у передачі сигналів, особливо в таких місцях, як саркоплазматичний ретикулум м'язових клітин.

Див. також — Вторинні посередники.

Рецептори Різні типи рецепторів можуть бути використані для передачі сигналів клітини і зв'язку, та можуть включати іонотропні рецептори та метаботропні рецептори. Ці типи рецепторів клітинної поверхні відрізняються за механізмом і тривалістю дії, причому іонотропні рецептори пов'язані зі швидкою передачею сигналу, а метаботропні рецептори пов'язані з повільною передачею сигналу. Метаботропні рецептори охоплюють широкий спектр рецепторів клітинної поверхні з помітно різними сигнальними каскадами.

Іонотропні рецептори

Іонотропні рецептори, також відомі як ліганд-залежні іонні канали, є швидкодіючими рецепторами, які опосередковують нейронні та фізіологічні функції за допомогою потоку іонних каналів із зв'язуванням ліганду. Нікотинові, ГАМК і глутаматні рецептори є одними з рецепторів клітинної поверхні, які регулюються потоком ліганд-залежних іонних каналів. ГАМК є основним гальмівним нейромедіатором мозку, а глутамат є основним збуджуючим нейромедіатором мозку.

ГАМК-рецептори