Novo estudo revela como uma sinapse única e rápida nos impede de cair – Strong The One

Em uma descoberta de mais de 15 anos, um pequeno grupo de neurocientistas, físicos e engenheiros de várias instituições desvendou o mecanismo das sinapses, abrindo caminho para pesquisas que podem melhorar os tratamentos para vertigens e distúrbios do equilíbrio que afetam até 1 em cada 3 americanos com mais de 40 anos.

O novo estudo da Anais da Academia Nacional de Ciências descreve o funcionamento das “sinapses de células capilares vestibulares-cálice”, que são encontradas em órgãos do ouvido interno que detectam a posição da cabeça e os movimentos em diferentes direções.

“Ninguém entendeu completamente como essa sinapse pode ser tão rápida, mas esclarecemos o mistério”, disse Rob Raphael, um bioengenheiro da Universidade Rice, coautor do estudo com Ruth Anne Eatock, da Universidade de Chicago, da Universidade de Illinois, Chicago. Anna Lysakowski, atual estudante de pós-graduação da Rice Aravind Chenrayan Govindaraju e ex-aluno de pós-graduação da Rice Imran Quraishi, agora professor assistente na Universidade de Yale.

As sinapses são junções biológicas onde os neurônios podem transmitir informações uns aos outros e a outras partes do corpo. O corpo humano contém centenas de trilhões de sinapses e quase todas elas compartilham informações por meio de transmissão quântica, uma forma de sinalização química por meio de neurotransmissores que requer pelo menos 0,5 milissegundos para enviar informações por meio de uma sinapse.

Experimentos anteriores mostraram que uma forma de transmissão “não quântica” mais rápida ocorre nas sinapses vestibulares das células ciliadas do cálice, os pontos onde as células ciliadas vestibulares sensíveis ao movimento encontram neurônios aferentes que se conectam diretamente ao cérebro. A nova pesquisa explica como essas sinapses operam tão rapidamente.

Em cada um, um neurônio receptor de sinal envolve a extremidade de sua célula ciliada parceira com uma grande estrutura em forma de xícara chamada cálice. O cálice e a célula ciliada permanecem separados por uma pequena lacuna, ou fenda, medindo apenas alguns bilionésimos de metro.

“O cálice vestibular é uma maravilha da natureza”, disse Lysakowski. “Sua grande estrutura em forma de xícara é a única de seu tipo em todo o sistema nervoso. Estrutura e função estão intimamente relacionadas, e a natureza obviamente dedicou muita energia para produzir essa estrutura. Temos tentado descobrir sua propósito especial por um longo tempo.”

A partir dos canais iônicos expressos nas células ciliadas e seus cálices associados, os autores criaram o primeiro modelo computacional capaz de descrever quantitativamente a transmissão não quântica de sinais através dessa lacuna em nanoescala. A simulação da transmissão não quântica permitiu à equipe investigar o que acontece ao longo da fenda sináptica, que é mais extensa nas sinapses vestibulares do que em outras sinapses.

“O mecanismo acaba sendo bastante sutil, com interações dinâmicas dando origem a formas rápidas e lentas de transmissão não quântica”, disse Raphael. “Para entender tudo isso, fizemos um modelo biofísico da sinapse com base em sua anatomia e fisiologia detalhadas”.

O modelo simula a resposta de voltagem do cálice a estímulos mecânicos e elétricos, rastreando o fluxo de íons de potássio através de canais iônicos ativados por baixa voltagem das células ciliadas pré-sinápticas para o cálice pós-sináptico.

Raphael disse que o modelo previu com precisão as mudanças no potássio na fenda sináptica, fornecendo novos insights importantes sobre as mudanças no potencial elétrico que são responsáveis ​​pelo componente rápido da transmissão não quântica; explicou como a transmissão não quântica sozinha poderia desencadear potenciais de ação no neurônio pós-sináptico; e mostrou como tanto a transmissão rápida quanto a lenta dependem da estreita e extensa escavação formada pelo cálice na célula ciliada.

Eatock disse: “A principal capacidade era prever o nível de potássio e o potencial elétrico em todos os locais da fenda. Isso permitiu à equipe ilustrar que o tamanho e a velocidade da transmissão não quântica dependem da nova estrutura do cálice. O estudo demonstra o poder das abordagens de engenharia para elucidar mecanismos biológicos fundamentais, um dos objetivos importantes, mas às vezes negligenciados, da pesquisa em bioengenharia.”

Quraishi começou a construir o modelo e a colaborar com Eatock em meados dos anos 2000, quando ele era aluno de pós-graduação no grupo de pesquisa de Raphael e ela fazia parte do corpo docente do Baylor College of Medicine, a poucos quarteirões de Rice, no Texas Medical Center de Houston.

Sua primeira versão do modelo capturou características importantes da sinapse, mas ele disse que as lacunas em “nosso conhecimento dos canais de potássio específicos e outros componentes que compõem o modelo eram muito limitados para afirmar que era totalmente preciso”.

Desde então, Eatock, Lysakowski e outros descobriram canais iônicos no cálice que transformaram a compreensão dos cientistas sobre como as correntes iônicas fluem através das células ciliadas e das membranas do cálice.

Qurashi disse: “O trabalho inacabado pesou sobre mim”, e ele ficou aliviado e animado quando Govindaraju, um Ph.D. estudante de física aplicada, ingressou no laboratório de Raphael e retomou os trabalhos no modelo em 2018.

“Na época em que comecei o projeto, mais dados suportavam a transmissão não quântica”, disse Govindaraju. “Mas o mecanismo, especialmente o da transmissão rápida, não era claro. Construir o modelo nos deu uma melhor compreensão da interação e propósito de diferentes canais iônicos, a estrutura do cálice e mudanças dinâmicas no potássio e potencial elétrico na fenda sináptica.”

Raphael disse: “Uma das minhas primeiras doações foi desenvolver um modelo de transporte de íons no ouvido interno. É sempre satisfatório alcançar um modelo matemático unificado de um processo fisiológico complexo. Nos últimos 30 anos – desde a observação original de transmissão não quântica – os cientistas se perguntam: ‘Por que essa sinapse é tão rápida?’ e, ‘A velocidade de transmissão está relacionada à estrutura única do cálice?’ Nós fornecemos respostas para ambas as perguntas.”

Ele disse que a ligação entre a estrutura e a função do cálice “é um exemplo de como a evolução impulsiona a especialização morfológica. Um argumento convincente pode ser feito de que, uma vez que os animais emergiram do mar e começaram a se mover na terra, balançar nas árvores e voar, houve demandas crescentes no sistema vestibular para informar rapidamente o cérebro sobre a posição da cabeça no espaço. E neste ponto o cálice apareceu.”

Raphael disse que o modelo abre as portas para uma exploração mais profunda do processamento de informações nas sinapses vestibulares, incluindo pesquisas sobre as interações únicas entre a transmissão quântica e não quântica.

Ele disse que o modelo também pode ser uma ferramenta poderosa para pesquisadores que estudam a transmissão elétrica em outras partes do sistema nervoso e espera que ajude aqueles que projetam implantes vestibulares, dispositivos neuroprotéticos que podem restaurar a função daqueles que perderam o equilíbrio.

Raphael é professor associado de bioengenharia na Escola de Engenharia George R. Brown de Rice. Eatock é professor de neurobiologia na Universidade de Chicago. Lysakowski é professor de anatomia e biologia celular na University of Illinois Chicago.

A pesquisa foi financiada pelos National Institutes of Health (DC012347, DC002290), pela Hearing Health Foundation e por uma doação inicial do programa ENRICH da Rice University.