Em formação

Compreendendo o cérebro: como os neurotransmissores são liberados no cérebro?


Tenho um conhecimento básico de como funcionam as redes neurais. É criada uma diferença de potencial que força o fluxo de íons sódio, potássio, cloreto e cálcio, levando um sinal elétrico ao final de uma sinapse. A partir daí, o neurônio pré-sináptico libera neurotransmissores criando uma diferença de potencial para o neurônio pós-sináptico.

O que ainda não entendo é a mecânica de qual neurotransmissor será liberado. As vesículas de cada tipo de neurotransmissor têm um limite de energia? Se sim, quando o limite de energia mais alto de uma vesícula é alcançado, isso significa que todas as outras vesículas liberarão os neurotransmissores encapsulados?


A liberação de neurotransmissores é um tipo muito específico de exocitose mediada por SNARE. O potencial de ação do influxo de sódio se propaga ao longo do axônio e atinge o terminal do axônio, contendo os canais de cálcio. Isso faz com que os cátions (íons) de cálcio percorram o gradiente eletroquímico. O Ca2 + então se liga a uma proteína. As vesículas contendo o neurotransmissor denominado sinaptotagmina (sensores de Ca), causariam alterações conformacionais levando à formação de um complexo SNARE. Algumas boas animações podem ser vistas aqui e aqui.

Quanto à existência de um limite de energia: existe um limite para a quantidade de cálcio necessária para causar a ativação da sinaptotagmina, como acontece com todos os tipos de SNAREs.

Veja este artigo: http://www.pnas.org/content/93/23/13327.full.pdf

Depois de um certo limiar de cálcio, todos os neurotransmissores deveriam, em teoria, ser liberados, mas se eles causariam uma resposta dependeria do receptor e da membrana pós-sináptica, já que cada sinapse é específica nos neurotransmissores e receptores que expressa.


O mecanismo foi bem descrito por FZG, gostaria apenas de acrescentar:

a mecânica de que neurotransmissor será lançado. As vesículas de cada tipo de neurotransmissor têm um limite de energia?

De acordo com este livro, um desses mecanismos é a frequência de estimulação (baixa frequência de potenciais de ação) e a distribuição subsequente de Ca2 +. Com baixa frequência de estimulação, os canais mais próximos da fenda ficam abertos, ou seja, há maior concentração na proximidade da fenda. Com frequência mais alta, a concentração no botão terminal é mais igual na proximidade e mais longe da membrana sináptica.

Uma vez que pequenos neurotransmissores são geralmente encaixados mais perto da membrana sináptica, baixas frequências de estimulação são suficientes para aumentar o Ca2 + nesta área e liberá-los, sem alterar a concentração de Ca2 + mais distante da membrana, onde os neuropeptídeos maiores estão encaixados. Eles precisam, portanto, de frequências mais altas (conforme descrito acima) serem liberadas também. Foto.

Se sim, quando o limite de energia mais alto de uma vesícula é alcançado, isso significa que todas as outras vesículas liberarão os neurotransmissores encapsulados?

Quanto ao limiar, deve haver cátions Ca2 + suficientes para ativar a sinaptotagmina, razão pela qual o mecanismo descrito acima está funcionando. No entanto, existem alguns tipos de sinaptotagmina, que têm diferentes afinidades com o Ca2 +, que poderia ser um outro mecanismo, se vesículas contendo diferentes neurotransmissores ligassem diferentes sinaptotagmina, mas isso é apenas uma hipótese, até onde eu sei, talvez alguém saiba melhor aqui :)

O modelo na Fig. 3 propõe que pelo menos Syts 1, 2, 3, 6 e 7 desempenham funções complementares na exocitose desencadeada por Ca2 +, em que a ligação de Ca2 + a cada classe de sinaptotagmina contribui de forma diferente para desencadear a exocitose

Fonte


Cientistas descobrem detalhes de resolução atômica de sinalização cerebral

Um complexo de proteínas atuando na sinalização do cérebro. Sua estrutura, que contém complexos de proteínas conhecidos como SNARE e sinaptotagmin-1, é mostrada em primeiro plano. Este complexo é responsável pela liberação de neurotransmissores desencadeada pelo cálcio das células nervosas do nosso cérebro em um processo denominado fusão vesícula sináptica. A estrutura SNARE é mostrada em azul, vermelho e verde, e a sinaptotagmin-1 é mostrada em laranja. A imagem de fundo mostra sinais elétricos viajando através de um neurônio. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory

Os cientistas revelaram detalhes nunca antes vistos de como nosso cérebro envia mensagens rápidas entre suas células. Eles mapearam a estrutura atômica 3-D de um complexo de proteínas de duas partes que controla a liberação de substâncias químicas de sinalização, chamadas neurotransmissores, das células cerebrais. Entender como as células liberam esses sinais em menos de um milésimo de segundo pode ajudar a lançar uma nova onda de pesquisas sobre medicamentos para o tratamento de distúrbios cerebrais.

Os experimentos, no laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, baseiam-se em décadas de pesquisas anteriores na Universidade de Stanford, Escola de Medicina de Stanford e SLAC. Os pesquisadores relataram suas últimas descobertas hoje no jornal Natureza.

"Este é um avanço muito importante e estimulante que pode abrir possibilidades para o direcionamento de novas drogas para controlar a liberação de neurotransmissores. Muitos transtornos mentais, incluindo depressão, esquizofrenia e ansiedade, afetam os sistemas de neurotransmissores", disse Axel Brunger, o investigador principal do estudo. Ele é professor da Stanford School of Medicine e SLAC e investigador do Howard Hughes Medical Institute.

"Ambas as partes desse complexo de proteínas são essenciais", disse Brunger, "mas até agora não estava claro como suas duas partes se encaixam e funcionam juntas."

Desvendando os segredos combinados de duas proteínas

As duas partes da proteína são conhecidas como SNAREs neuronais e sinaptotagmin-1.

Estudos anteriores de raios-X, incluindo experimentos no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC quase duas décadas atrás, lançaram luz sobre a estrutura do complexo SNARE, um feixe de proteínas helicoidal encontrado em leveduras e mamíferos. Os SNAREs desempenham um papel fundamental na sinalização química do cérebro ao juntar, ou "fundir", pequenos pacotes de neurotransmissores às bordas externas dos neurônios, onde são liberados e, em seguida, acoplam-se a receptores químicos em outro neurônio para desencadear uma resposta.

Uma 'arma fumegante' para a liberação de neurotransmissores

Nesta última pesquisa, os cientistas descobriram que quando os SNAREs e a sinaptotagmina-1 se juntam, eles agem como um amplificador para um ligeiro aumento na concentração de cálcio, desencadeando uma liberação de neurotransmissores semelhante a um tiro de um neurônio para outro. Eles também aprenderam que as proteínas se unem antes de chegarem à membrana de um neurônio, o que ajuda a explicar como elas acionam a sinalização cerebral tão rapidamente.

A partir da esquerda, Axel Brunger, Artem Lyubimov, Qiangjun "John" Zhao e Minglei Zhou veem as imagens de um experimento na Linac Coherent Light Source do SLAC, um laser de elétrons livres de raios-X. Os pesquisadores usaram uma configuração robótica para acertar cristais minúsculos congelados (a tela no canto superior esquerdo mostra um cristal) com uma série de pulsos de raios-X. Eles analisaram imagens de raios-X desses cristais para determinar a estrutura em escala atômica de um complexo de proteínas que fornece pistas de como nossos cérebros enviam mensagens químicas rápidas. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory

"O neurônio não está construindo a 'arma' enquanto fica ali na membrana - ela já está lá", disse Brunger.

A equipe especula que vários dos complexos de proteínas unidos podem se agrupar e interagir simultaneamente com a mesma vesícula para desencadear com eficiência a liberação de neurotransmissores, uma área estimulante para estudos futuros.

"A estrutura do complexo SNARE-sinaptotagmin-1 é um marco que o campo esperava há muito tempo e define a estrutura para uma melhor compreensão do sistema", disse James Rothman, professor da Universidade de Yale que descobriu o Proteínas SNARE e compartilhou o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2013.

Thomas C. Südhof, professor da Escola de Medicina de Stanford e investigador do Howard Hughes Medical Institute que compartilhou o Prêmio Nobel de 2013 com Rothman, descobriu a sinaptotagmina-1 e mostrou que ela desempenha um papel importante como sensor de cálcio e gatilho dependente de cálcio para liberação de neurotransmissor.

"A nova estrutura identificou interfaces imprevistas entre a sinaptotagmin-1 e o complexo neuronal SNARE que mudam a forma como pensamos sobre sua interação, revelando, em detalhes atômicos, exatamente onde eles se ligam", disse Südhof. "Este é um novo conceito que vai muito além dos modelos gerais anteriores de como funciona a sinaptotagmin-1."

Equipamento usado em um sistema robótico de cristalografia de raios-X altamente automatizado no Linac Coherent Light Source da SLAC. O tambor de metal na parte inferior esquerda contém nitrogênio líquido para resfriar amostras cristalizadas estudadas com os intensos pulsos de raios-X do LCLS. Essa configuração foi usada em um experimento que explora a maquinaria molecular envolvida na sinalização do cérebro em detalhes em escala atômica. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory

Usando Cristais, Robótica e Raios-X para Avançar a Neurociência

Para estudar a estrutura da proteína combinada, os pesquisadores do laboratório de Brunger na Stanford School of Medicine encontraram uma maneira de fazer crescer os cristais do complexo. Eles usaram um sistema robótico desenvolvido na SSRL para estudar os cristais no LCLS do SLAC, um laser de raios-X que é uma das fontes de raios-X mais brilhantes do planeta. SSRL e LCLS são instalações do usuário do DOE Office of Science.

Os pesquisadores combinaram e analisaram centenas de imagens de raios-X de cerca de 150 cristais de proteína para revelar os detalhes em escala atômica da estrutura unida.

Aina Cohen da SSRL, que supervisionou o desenvolvimento da plataforma altamente automatizada usada para o experimento neurocientífico, disse: "Este experimento foi o primeiro a usar esta plataforma robótica no LCLS para determinar uma estrutura não resolvida anteriormente de um grande e desafiador complexo multiproteico. " O estudo também foi apoiado por experimentos de raios-X no SSRL e na fonte avançada de fótons do Argonne National Laboratory.

"Este é um bom exemplo de como ferramentas, instrumentos e métodos de raios-X avançados estão nos fornecendo novos insights sobre o que são mecanismos realmente complexos", disse Cohen.

Brunger disse que estudos futuros irão explorar outras interações de proteínas relevantes para a liberação de neurotransmissores. "O que estudamos é apenas um subconjunto", disse ele. "Existem muitos outros fatores interagindo com este sistema e queremos saber como eles se parecem. Isso de forma alguma é o fim da história."


O papel dos neurotransmissores

Basicamente, os neurotransmissores são substâncias químicas no cérebro semelhantes aos hormônios. Na verdade, alguns hormônios funcionam como neurotransmissores. A norepinefrina, por exemplo, é essencialmente apenas outro termo para noradrenalina usado para descrever os efeitos que tem no cérebro. Da mesma forma, a epinefrina é essencialmente adrenalina.

Como os hormônios, os neurotransmissores têm um grande efeito sobre as emoções, mas também controlam nossos estados mentais e regulam coisas como fome, aprendizado e cansaço. Eles podem aumentar ou diminuir a atividade neuronal, seja em uma região específica do cérebro ou em toda ela.


A neurociência por trás do seu humor: troca de neurotransmissores no cérebro adulto

Para muitos de nós, nosso humor muda com o ambiente externo. Quando chove, tendemos a nos sentir “tristes” e talvez um pouco solitários. Quando está ensolarado, nos sentimos mais felizes e jubilosos por dentro. Algumas pessoas se sentem mais confortáveis ​​à luz do dia, enquanto outras preferem a escuridão tranquila à noite. O que exatamente está acontecendo com nosso cérebro que nos leva a sentir uma certa maneira em diferentes situações ambientais? Uma descoberta recente de Davide Dulcis e outros publicados na revista Science de renome internacional pode ajudar a elucidar esse fenômeno interessante.

Dentro do cérebro existem bilhões de células importantes chamadas neurônios. Essas células são cruciais para o funcionamento do cérebro, pois direcionam a atividade e o controle. Para se comunicarem, eles disparam substâncias químicas chamadas neurotransmissores. Cada vez que os neurotransmissores são disparados, eles cruzam uma pequena lacuna entre os neurônios chamada fenda sináptica para se ligar aos receptores na célula receptora. A ligação do neurotransmissor ao receptor desencadeia uma série de mudanças químicas dentro dos neurônios, facilitando várias vias.

Figura 1: Comunicação entre dois neurônios. Existem duas estruturas importantes em um neurônio que funcionam na comunicação: axônios (para enviar mensagens) e dendritos (para receber mensagens). Para falar com outros neurônios, uma condução elétrica (chamada potencial de ação) percorrerá o axônio. Quando a condução elétrica atinge as extremidades do axônio, os neurotransmissores são liberados. Esses neurotransmissores liberados então se ligam a receptores localizados nos dendritos do neurônio receptor, catalisando uma série de vias químicas. Imagem retirada da Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Chemical_synapse_schema_cropped.jpg).

Por muitos anos, no campo da neurociência, pensou-se que um neurônio individual produzia apenas um neurotransmissor. No entanto, está se tornando cada vez mais aparente que muitos neurônios têm a capacidade de gerar e liberar dois ou mais neurotransmissores, incluindo neuromoduladores que muitas vezes são liberados junto com neurotransmissores de pequenas moléculas1. Estudos anteriores usando neurônios em cultura mostram que neurônios individuais podem passar por uma mudança molecular para disparar neurotransmissores diferentes. Um exemplo são os neurônios simpáticos periféricos que normalmente liberam norepinefrina como seu neurotransmissor2. Esses neurônios simpáticos inervam (se conectam a) vários órgãos, controlando nossas respostas de luta ou fuga. Trabalhos realizados com esses neurônios simpáticos demonstram que eles liberam acetilcolina ao inervar as glândulas sudoríparas, ao passo que secretam norepinefrina ao inervar o coração3. Estudos subsequentes mostram que essas mudanças moleculares são dependentes da atividade em cérebros de roedores adultos, e que essas mudanças moleculares podem dar origem a novos comportamentos, como mudanças de pigmentação em anfíbios4.

Embora a plasticidade neuronal seja bem caracterizada no cérebro adulto, ainda não está claro como os estímulos sensoriais podem alterar a liberação de neurotransmissores. Mudanças na exposição à luz e no ritmo circadiano podem levar a comportamentos ansiogênicos e depressivos em mamíferos adultos5. Acredita-se que essas mudanças comportamentais sejam mediadas pela troca de neurotransmissores por neurônios específicos. Um novo relatório de Davide Dulcis e outros mostrou que alterar os fotoperíodos (ou o tempo durante o qual um animal é exposto à luz) levou à troca de neurotransmissores disparados por neurônios de ratos adultos na região do hipotálamo6.

No estudo, os ratos adultos foram criados em ciclos de dias longos (19 horas de luz e 5 horas de escuridão) ou de dias curtos (5 horas de luz e 19 horas de escuridão). Depois de uma semana, os pesquisadores descobriram que há uma mudança na liberação do neurotransmissor pelos neurônios hipotalâmicos da dopamina para a somatostatina durante os ciclos de longos dias. O oposto foi observado em dias curtos (troca de somatostatina para dopamina). As mudanças nos fotoperíodos influenciaram os neurônios individuais a mudar a expressão dos neurotransmissores, um achado notável na neurociência. A dopamina é um neurotransmissor que desempenha um papel na cognição, motivação, humor, memória e aprendizagem, enquanto a somatocaína é um neuromodulador que se acredita estar envolvido na regulação das respostas ao estresse7. Além disso, o aumento da somatostatina se correlacionou com a regulação positiva do fator de liberação de corticotrofina (CRF). A presença de CRF aumenta a concentração de corticosteroides circulantes, que desempenham um papel no estresse e na depressão. Assim, pode ser implícito que os ratos noturnos são estressados ​​por ciclos de longos dias.

Para investigar se as mudanças no disparo do neurotransmissor tiveram alguma consequência no comportamento animal, os pesquisadores testaram os ratos em um labirinto e teste de natação forçada, uma vez que esses dois testes são considerados indicadores de humor, ansiedade e depressão. Em relação aos ratos controle (12 horas de luz e 12 horas de escuridão), os ratos expostos a ciclos de dias curtos passaram mais tempo explorando o labirinto e tiveram melhor resistência no teste de natação. Em contraste, a exposição em dias longos produziu os efeitos opostos: os ratos exploraram menos o labirinto e diminuíram a resistência ao nadar. Esses experimentos comportamentais indicam que os fotoperíodos de dias longos são estressantes para os ratos, o que faz sentido considerando que são noturnos.

Figura 2: Alteração da liberação do neurotransmissor. Durante dias curtos, os neurônios no hipotálamo de rato adulto mudam de somatostatina para dopamina. A mudança oposta é observada em dias longos. Um aumento da somatostatina leva à regulação positiva do CRF e, consequentemente, a menos corticosteroides. Essas condições provavelmente são responsáveis ​​pelos comportamentos de estresse em roedores noturnos expostos a longos dias, pois a somatostatina é considerada uma resposta regular ao estresse. Imagem retirada de Birren e Marder, 2013.

Este trabalho de Dulcis e outros pode ter implicações importantes para a compreensão do cérebro humano na saúde e na doença. Claro, o trabalho foi feito em roedores noturnos, mas há duas descobertas principais que são aplicáveis ​​a humanos: 1) A estimulação sensorial é capaz de alterar o tipo de neurotransmissor disparado e 2) O tipo de neurotransmissor disparado tem uma grande influência sobre comportamento e humor. Trabalhos adicionais para elucidar o mecanismo molecular por trás da liberação de neurotransmissores podem nos permitir abordar problemas psicológicos como o estresse em nível molecular. Embora os humanos possam ter um mecanismo diferente, os ratos ainda são uma grande ferramenta de aprendizado para entendermos completamente a neurociência por trás de nosso humor.


Um passo mais perto de compreender o cérebro humano

Uma equipe internacional de cientistas liderada por pesquisadores do Karolinska Institutet na Suécia lançou uma visão abrangente de todas as proteínas expressas no cérebro, publicada hoje na revista. Ciência. O banco de dados de acesso aberto oferece aos pesquisadores médicos um recurso sem precedentes para aprofundar sua compreensão da neurobiologia e desenvolver novas terapias e diagnósticos mais eficazes visando doenças psiquiátricas e neurológicas.

O cérebro é o órgão mais complexo do nosso corpo, tanto em estrutura quanto em função. O novo recurso Brain Atlas é baseado na análise de quase 1.900 amostras cerebrais cobrindo 27 regiões cerebrais, combinando dados do cérebro humano com informações correspondentes dos cérebros de porco e rato. É o último banco de dados lançado pelo programa Human Protein Atlas (HPA), baseado no Laboratório de Ciência para a Vida (SciLifeLab) na Suécia, um centro de pesquisa conjunto alinhado com o KTH Royal Institute of Technology, Karolinska Institutet, Stockholm University e Uppsala University . O projeto é uma colaboração com o centro de pesquisa BGI em Shenzhen e Qingdao na China e a Universidade Aarhus na Dinamarca.

"Como esperado, o projeto do cérebro é compartilhado entre os mamíferos, mas o novo mapa também revela diferenças interessantes entre os cérebros de humanos, de porco e de camundongo", disse Mathias Uhl & eacuten, professor do Departamento de Ciência de Proteínas do KTH Royal Institute of Technology, professor visitante no Departamento de Neurociência do Karolinska Institutet e Diretor do esforço Human Protein Atlas.

O cerebelo surgiu no estudo como a região mais distinta do cérebro. Muitas proteínas com níveis elevados de expressão nessa região foram encontradas, incluindo várias associadas a transtornos psiquiátricos que sustentam um papel do cerebelo no processamento das emoções.

"Outra descoberta interessante é que os diferentes tipos de células do cérebro compartilham proteínas especializadas com órgãos periféricos", diz a Dra. Evelina Sj & oumlstedt, pesquisadora do Departamento de Neurociência do Karolinska Institutet e primeira autora do artigo. "Por exemplo, os astrócitos, as células que 'filtram' o ambiente extracelular no cérebro, compartilham muitos transportadores e enzimas metabólicas com as células do fígado que filtram o sangue."

Ao comparar os sistemas de neurotransmissores, responsáveis ​​pela comunicação entre os neurônios, algumas diferenças claras entre as espécies puderam ser identificadas.

"Vários componentes moleculares dos sistemas de neurotransmissores, especialmente os receptores que respondem aos neurotransmissores e neuropeptídeos liberados, mostram um padrão diferente em humanos e camundongos", disse o Dr. Jan Mulder, líder do grupo de perfis cerebrais Human Protein Atlas e pesquisador do Departamento de Neuroscience at Karolinska Institutet. "Isso significa que deve-se ter cuidado ao selecionar animais como modelos para transtornos mentais e neurológicos humanos."

Para genes / proteínas selecionados, o Brain Atlas também contém imagens microscópicas que mostram a distribuição de proteínas em amostras de cérebro humano e mapas detalhados com zoom da distribuição de proteínas no cérebro de camundongos.

O Human Protein Atlas começou em 2003 com o objetivo de mapear todas as proteínas humanas em células, tecidos e órgãos (o proteoma). Todos os dados do recurso de conhecimento são de acesso aberto, permitindo que cientistas da academia e da indústria usem livremente os dados para a exploração do proteoma humano.


A estrutura da proteína revela como o LSD afeta o cérebro

A dietilamida do ácido lisérgico, ou LSD, pode alterar a percepção (consciência dos objetos e condições ao redor), pensamentos e sentimentos. Também pode causar alucinações - sensações e imagens que parecem reais, embora não sejam. Essas “viagens” podem durar muitas horas, muito depois de o LSD ter sido eliminado da corrente sanguínea.

O LSD foi sintetizado pela primeira vez em 1938, e seus efeitos alucinógenos descobertos logo depois. No entanto, como o composto causa seus efeitos no cérebro não foi bem compreendido. O LSD é um membro de uma classe de medicamentos chamados ergolinas, que são usados ​​para tratar muitas condições, incluindo enxaqueca e doença de Parkinson. Compreender como o composto exerce seus efeitos únicos pode fornecer insights para orientar o desenvolvimento de futuras terapêuticas.

O LSD interage com proteínas na superfície das células cerebrais chamadas receptores de serotonina. A serotonina é um mensageiro químico que ajuda as células cerebrais a se comunicarem. O LSD parece atuar por meio de um receptor específico chamado 5-HT2AR. Para obter informações sobre os efeitos do LSD, uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Bryan Roth da Universidade da Carolina do Norte cristalizou um receptor relacionado, 5-HT2BR, ligado ao LSD. Os cientistas usaram cristalografia de raios-X para visualizar a estrutura. Seu estudo foi apoiado pelo National Institute of Mental Health (NIMH) do NIH. Os resultados foram publicados em 26 de janeiro de 2017, em Célula.

Os receptores de serotonina ativam duas vias de sinalização principais dentro das células: por meio de proteínas G e por meio de β-arrestinas. Os pesquisadores descobriram que o LSD se liga ao seu receptor de uma forma que faz com que ele atue principalmente através da via da β-arrestina em vez da via da proteína G. Os compostos de ergolina relacionados, os cientistas descobriram, diferem na maneira como eles interagem estruturalmente com o receptor. Outros experimentos de laboratório e análises de computador revelaram que esses compostos distintos, mas semelhantes, podem moldar a estrutura do receptor para desencadear efeitos diferentes.

A equipe também descobriu que o receptor de serotonina fecha uma "tampa" sobre a molécula de LSD, evitando que ela se desprenda rapidamente. Isso provavelmente explica os efeitos de longa duração da droga. Uma forma mutante do receptor com uma tampa mais fraca reduziu a atividade da via da β-arrestina, enquanto não afetou a atividade da via da proteína G.

“Este estudo lança luz sobre o mecanismo de ação das drogas psicoativas, incluindo como certas drogas ativam uma via de sinalização dentro das células enquanto evitam outra”, explica a Dra. Laurie Nadler, chefe do Programa de Neurofarmacologia do NIMH. “Tomado em conjunto com outros estudos recentes de complexos de receptor de drogas, este trabalho fornece uma prova de conceito para o projeto de drogas com propriedades de sinalização desejadas e menos efeitos colaterais indesejados.”

Roth e outros colegas recentemente mostraram o potencial de tal projeto baseado em estrutura. Com base em descobertas semelhantes sobre um receptor opioide, eles criaram uma molécula que efetivamente alivia a dor em ratos, mas com menos efeitos colaterais do que a morfina.


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Em uma descoberta que pode oferecer informações valiosas sobre a compreensão, diagnóstico e até mesmo o tratamento do autismo, os cientistas de Harvard, pela primeira vez, associaram um neurotransmissor específico no cérebro ao comportamento autista.

Usando um teste visual que induz diferentes reações em cérebros autistas e normais, uma equipe de pesquisa liderada por Caroline Robertson, uma bolsista da Harvard Society of Fellows, foi capaz de mostrar que essas diferenças estavam associadas a uma falha na via de sinalização usada por GABA, um dos principais neurotransmissores inibidores do cérebro. O estudo é descrito em um artigo de 17 de dezembro na revista Current Biology.

“Esta é a primeira vez, em humanos, que um neurotransmissor no cérebro foi associado ao comportamento autista - ponto final”, disse Robertson. “Esta teoria de que a via de sinalização GABA desempenha um papel no autismo foi demonstrada em modelos animais, mas até agora nunca tivemos evidências de que ela realmente causasse diferenças autistas em humanos.”

Embora possa não levar diretamente a tratamentos para autismo, Robertson disse que a descoberta oferece uma visão inestimável sobre o distúrbio e o papel que neurotransmissores como o GABA podem desempenhar nele. A descoberta também sugere que testes visuais semelhantes podem ser usados ​​para rastrear crianças mais novas quanto ao autismo, permitindo que pais e médicos intervenham mais cedo.

Embora há muito se acredite que desempenhe um papel no autismo - o GABA tem sido amplamente estudado em modelos animais - as evidências que apoiam o papel do GABA na doença em humanos têm sido evasivas.

“O autismo é frequentemente descrito como um distúrbio em que todas as informações sensoriais vêm à tona de uma vez. Portanto, a ideia de que um neurotransmissor inibitório era importante se encaixava nas observações clínicas ”, disse Robertson. “Além disso, as pessoas com autismo costumam ter convulsões - há uma comorbidade de 20 a 25 por cento entre autismo e epilepsia - e achamos que as convulsões são uma excitação descontrolada no cérebro.”

Para encontrar essa evidência, Robertson e seus colegas procuraram um teste facilmente replicável que produzisse resultados consistentemente diferentes em pessoas com e sem autismo, e o encontraram no que os neurocientistas visuais chamam de rivalidade binocular.

Normalmente, ela disse, o cérebro é apresentado a duas imagens ligeiramente diferentes - uma de cada olho - que calcula a média para criar a única imagem que vemos. O teste de rivalidade binocular, no entanto, força cada olho a captar imagens muito diferentes, com resultados surpreendentes.

“O resultado final é que uma imagem é totalmente suprimida da consciência visual por um curto período”, disse Robertson. “Então, se eu mostrar a você a imagem de um cavalo e uma maçã, o cavalo irá embora inteiramente, e você verá apenas a maçã. Eventualmente, porém, os neurônios que estão forçando esse sinal inibitório se cansam, e ele muda até que você veja apenas o cavalo. Conforme esse processo se repete, as duas imagens vão balançar para frente e para trás. ”

Em estudos anteriores, Robertson e colegas mostraram que, embora o mesmo processo ocorra no cérebro autista, a oscilação entre as imagens pode demorar significativamente mais.

“Enquanto a pessoa média pode balançar para frente e para trás entre as duas imagens a cada três segundos, uma pessoa autista pode levar o dobro do tempo”, disse ela. “Eles passam a mesma quantidade de tempo no estado estacionário, onde veem apenas uma imagem, que uma pessoa comum. Só demoram mais para alternar entre eles, e a segunda imagem não é tão profundamente suprimida. ”

Usando espectroscopia de ressonância magnética, uma técnica de imagem cerebral que pode medir os níveis de certos neurotransmissores no cérebro, os pesquisadores descobriram que, embora aqueles com autismo mostrassem níveis normais de GABA, a relação entre GABA e percepção visual era muito menor do que o esperado.

“O que achamos que estamos vendo é a evidência de um déficit na via de sinalização GABA-ergic”, disse Robertson. “Não é que não haja GABA no cérebro ... é que há algum passo ao longo desse caminho que está quebrado.”

É mais fácil falar do que fazer consertar esse caminho.

“É muito diverso”, disse Robertson. “Existem duas formas de receptores GABA, A e B, e o receptor GABA A pode assumir várias formas. Podemos usar este teste para verificar a eficácia dos medicamentos e nos dar uma ideia melhor sobre quais desses receptores não estão funcionando corretamente. Mas é muito complexo.

“Se essas descobertas forem verdadeiras em crianças e também em adultos ... no momento não podemos diagnosticar autismo em crianças que não falam, mas é quando a intervenção precoce seria mais eficaz”, ela continuou. “Mas antes que as crianças possam falar, elas podem ver, então podemos usar esse tipo de tarefa visual para examinar as crianças e ver se há algo desequilibrado em seus cérebros.”

Robertson alertou, no entanto, que compreender a via de sinalização para o GABA não será uma panaceia para o autismo.

“Estou animada com este estudo, mas existem muitas outras moléculas no cérebro e muitas delas podem estar associadas ao autismo de alguma forma”, disse ela. “Estávamos olhando para a história do GABA, mas ainda não terminamos a triagem do cérebro autista para outras vias possíveis que podem desempenhar um papel. Mas este é um, e nos sentimos bem com este.


2 Citometria eletroquímica para medir o conteúdo vesicular

A amperometria de célula única fornece informações sobre a quantidade de neurotransmissores durante a liberação exocitótica, mas para determinar a fração liberada, a quantidade de neurotransmissores armazenados em uma única vesícula também é necessária. A citometria eletroquímica de fluxo, uma combinação de amperometria e citometria de fluxo, inicialmente permitiu a determinação do armazenamento de neurotransmissores em vesículas nanométricas. 21

2.1 Citometria eletroquímica de vesícula de fluxo (FVEC)

A citometria eletroquímica baseada em fluxo original foi projetada para quantificar o conteúdo do neurotransmissor vesicular combinando eletroforese capilar, microfluídica e eletroquímica (Figura 2A). 21 Na citometria eletroquímica de vesículas de fluxo (FVEC), as vesículas individuais foram isoladas de uma suspensão de vesículas por eletroforese capilar e, em seguida, entraram em um dispositivo microfluídico, onde foram lavadas com um fluxo de bainha de solução de surfactante para lisar sua membrana, portanto, todos os conteúdos da vesícula pode ser liberado e detectado diretamente por amperometria em microeletrodos de fibra de carbono. Nessas experiências, comparando SCA com FVEC, verificou-se que a vesícula média apenas libertava cerca de 40% do total de catecolaminas durante a libertação exocitótica nas células PC12. Cerca de 33.000 moléculas de dopamina apresentadas por vesícula no estriado de camundongos foram detectadas por FVEC, enquanto a quantidade de conteúdo do transmissor durante a liberação exocitótica é menor em neurônios em cultura. 22 Esses achados levam a novos experimentos para determinar que apenas uma fração do conteúdo vesicular é liberada e essa fração pode variar amplamente.

Métodos de citometria eletroquímica para medir o conteúdo vesicular. A) Flow vesicle electrochemical cytometry (FVEC). Adapted with permission from ref. [21]. Copyright: 2010, American Chemical Society. B) Vesicle impact electrochemical cytometry (VIEC). C) Intracellular vesicle impact electrochemical cytometry (IVIEC).

2.2 Vesicle impact electrochemical cytometry (VIEC)

Vesicle impact electrochemical cytometry (VIEC) was then developed to eliminate the separation step and simplify quantification of neurotransmitter content in isolated vesicles. 23 In this method, a disk-shaped carbon-fiber electrode was placed in a suspension of isolated vesicles (Figure 2B). Vesicles adsorb on the surface of the electrode and rupture by electroporation, 24 resulting in the opening of a pore on the vesicle membrane and subsequent release of electroactive messenger molecules. These released messengers are oxidized at the electrode surface, where they are restricted from diffusing away from the electrode and thus the total content can be quantified. The pore opening of vesicles on the electrode is potential dependent, whereas the number of molecules per vesicle is not affected. 24 It is hypothesized that proteins on the membrane of the vesicle act as a barrier between the membrane and the electrode reducing the electroporation field and consequently these must move, possibly by random motion, prior to vesicle opening. 24 Vesicle rupture on the electrode surface is also temperature and vesicle size dependent. 25 Increasing the temperature from 6 to 30 °C facilitates electroporation-induced pore formation and it is easier for larger vesicles rupture on the electrode than the smaller vesicles, consistent with the need for proteins to move and allow direct contact of the membrane lipids with the electrode. Fluorescence labeling of vesicles also facilitates vesicle rupture by electroporation. 26 It was shown that a light-stimulated fluorophore, rhodamine phosphatidylethanolamine or benzoxadiazole-phosphoethanol-amine, attached to the membrane of vesicle increases the number of amperometric events, corresponding to an increase in vesicle opening. This has been hypothesized to occur via production of reactive oxygen species by excited fluorophores causing oxidation of the membrane lipids and proteins and therefore, changing the conformation of the membrane of vesicle to allow easier adsorption at the electrode surface.

2.3 Intracellular vesicle impact electrochemical cytometry (IVIEC)

Intracellular vesicle impact electrochemical cytometry (IVIEC) was recently introduced to directly quantify vesicular content inside a single cell (Figure 2C). 27 A cylindrical carbon-fiber microelectrode was flame-etched to obtain a thin needle shape with 50–100 nm tip diameter and tens of micrometer long. This nanotip electrode can be used to penetrate the cell membrane localizing in the cytoplasm of a live cell with minimal damage. This provides better sensitivity, dynamics, signal-to-noise ratio, and faster time response for many messengers detected in comparison of electrochemically etched as well as regular cylindrical-shaped carbon-fiber microelectrodes. Similar to the VIEC method, IVIEC is based on the same principles as VIEC, where the intracellular vesicles are adsorbed on the electrode surface and rupture by electroporation to release their contents.

2.4 VIEC versus IVIEC

Quantitative modeling of collection efficiencies from carbon-fiber microelectrodes demonstrates that almost 100 % of vesicular content is captured and oxidized on a disk-shaped carbon-fiber electrode in VIEC, regardless of the location of the release pore. 28 The collection efficiency of nanotip conical electrodes is dependent on the position of the vesicular release pore in IVIEC, where 75 % of vesicular content is predicted to be collected when the release pore is opposite to the electrode surface and 100 % can be captured when the release pore is close or at the electrode surface, but overall this approach provides reliable measurement of vesicular content.

The VIEC and IVIEC methods can be utilized for different purposes. For example, physical size and vesicular content of a single vesicle can be simultaneously measured by combining resistive pulse measurements and VIEC. 29 Here, a nanopore pipet was used to eject single vesicles with different osmolality of solution inside and outside of the nanopipette tip by applying periodic pressure. A resistive pulses was generated when the vesicle was pushed through the pore. The vesicle then adsorbed on the surface of a carbon-fiber electrode opens to release its content by electroporation and low osmolarity of the surrounding solution. However, depending on the cell type, the problem of adequate vesicle isolation remains a challenge. In addition, the vesicular catecholamine content quantified with VIEC is lower than that of IVIEC, as the vesicular neurotransmitter content in isolated vesicles decreases with higher speed centrifugation force during isolation steps. 30 IVIEC with a nanotip electrode can directly assess vesicular content in a single living cell under various stimulations or drug treatments, allowing direct comparison to exocytotic release. Here, an advantage is that vesicle isolation is not required.


Types of Neurotransmitters

One method of classifying neurotransmitters is based on their chemical composition. Categories include:

  • Amino acids: γ-aminobutyric acid (GABA), aspartate, glutamate, glycine, D-serine
  • Gases: carbon monoxide (CO), hydrogen sulfide (H2S), nitric oxide (NO)
  • Monoamines: dopamine, epinephrine, histamine, norepinephrine, serotonin
  • Peptides: β-endorphin, amphetamines, somatostatin, enkephalin
  • Purines: adenosine, adenosine triphosphate (ATP)
  • Trace amines: octopamine, phenethylamine, trypramine
  • Other molecules: acetylcholine, anandamide
  • Single ions: zinc

The other major method of categorizing neurotransmitters is according to whether they are excitatório ou inibitório. However, whether a neurotransmitter is excitatory or inhibitory depends on its receptor. For example, acetylcholine is inhibitory to the heart (slows heart rate), yet excitatory to skeletal muscle (causes it to contract).


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