ScienceDaily (9 mar 2012) - Trots ett århundrade av forskning, har minnet kodning i hjärnan var mystisk. Neuronala synaptiska anslutning styrkor är inblandade, men synaptiska komponenter kortlivade, medan minnen livstid. Detta tyder på synaptisk information kodas och hårt fast på ett djupare, mer finkornig molekylär nivå.
I en artikel i 8 mars numret av tidskriften PLoS Computational Biology , fysiker Travis Craddock och Jack Tuszynski vid universitetet i Alberta och anestesiolog Stuart Hameroff vid universitetet i Arizona visa en rimlig mekanism för att koda synaptic minne i mikrotubuli är stora delar av den strukturella cytoskelettet inom neuroner.
Mikrotubuli är cylindriska sexkantiga gitter polymerer av proteinet tubulin, omfattande 15 procent av den totala hjärnan protein. Mikrotubuli definierar neuronala arkitektur, reglerar synapser, och föreslog att bearbeta information via interaktiva bit-liknande tillstånd av tubulin. Men varje tillstymmelse till en gemensam kod ansluter mikrotubuli av synaptisk aktivitet har saknats. Tills nu.
Standarden experimentell modell för neuronal minnet är långsiktig potentiering (LTP) där korta presynaptiska excitations resulterar i förlängd postsynaptiska känsligheten. Ett väsentligt större i LTP är det hexagonala enzym kalcium / kalmodulin-beroende proteinkinas II (CaMKII). Vid pre-synaptisk excitation, kalciumjoner in postsynaptiska neuroner orsaka snöflingan-formade CaMKII att omvandla och sträcker sig uppsättningar av 6 benliknande kinasdomäner ovanför och nedanför en central domän, den aktiverade CaMKII liknar en dubbelsidig insekt. Varje kinasdomänen kan fosforylera ett substrat, och således koda en bit av synaptisk informationen. Ordnade matriser av bitar betecknas bitgrupper, och 6 kinasdomänema på en sida av varje CaMKII kan sålunda fosforylera och kodar kalcium-medierade synaptiska inmatningar såsom 6-bitars byte. Men var är inom neuronala substrat för minnet kodning av CaMKII fosforylering? Anger mikrotubuli.
Med molekylär modellering, Craddock et al visar en perfekt matchning mellan rumsliga dimensioner, geometri och elektrostatisk bindning av insekten-liknande CaMKII och hexagonala gitter av tubulin proteiner i mikrotubuli. De visar hur CaMKII kinasdomäner tillsammans kan binda och fosforylera 6-bitars byte, vilket resulterar i hexagonalt baserade mönster av fosforylerade tubulins i mikrotubuli. Craddock et al beräknar enorma informationskapacitet låg energikostnad, visar mikrotubuli-associerade grindar protein logik, och visa hur mönster av fosforylerade tubulins i mikrotubuli kan styra neuronala funktioner genom att utlösa axonala skjutning, reglera synapser och korsa skala.
Mikrotubuli och CaMKII finns överallt i eukaryota biologi, extremt rika i hjärnans nervceller, och kan ansluta membran och cytoskelettala nivåer av informationsbehandling. Avkodning och stimulerande mikrotubuli kan göra det möjligt terapeutisk intervention i en mängd patologiska processer, till exempel Alzheimers sjukdom där mikrotubuli störningar spelar en viktig roll, och hjärnskada som mikrotubuli verksamheten kan reparera nervceller och synapser.
Hameroff, senior författare på studien, säger: "Många neurovetenskap tidningarna avsluta med att hävda sina fynd kan hjälpa att förstå hur hjärnan fungerar, och behandla Alzheimers sjukdom, hjärnskada och olika neurologiska och psykiatriska sjukdomar Denna studie kan faktiskt göra det vi kan ha.. en glimt av hjärnans biomolekylära kod för minnet. "
