Od pohárku k pacičkám

Při rozvoji nervové soustavy obratlovců a člověka se postupně uvádějí v činnost genetické programy, které mění jak počet neuronů (především apoptózou), tak funkci neuronů i jejich spojů, synapsí. U rostoucích savčích mláďat pozorujeme, jak se zlepšuje koordinace pohybů a jak stále rychleji reagují na nebezpečí a potravu. Zprvu vratká a neohrabaná novorozená hříbata nebo kůzlata po několika dnech či týdnech už nemůžeme dohonit, bezbranní slepí králíčkové se nám před očima mění na ušaté střely.

Pod obecným konstatováním, že nervová soustava po narození „spurtuje“ nebo „dozrává“, se skrývají zcela konkrétní morfologické, biochemické a biofyzikální změny. Jedním z takových měřitelných parametrů při přestavbě nervové soustavy je velikost a doba trvání slabounkých synaptických proudů, vznikajících vyloučením jednotlivých kvant neuropřenašeče. Tyto miniaturní synaptické proudy dnes můžeme pomocí mikroelektrodové techniky (například terčíkovým zámkem) měřit v řádech nano- až pikoampérů (10^–9–10^–12 A). Čím je celkový budivý nebo tlumivý proud za synapsí strmější a kratší, tím rychleji se přenáší informace mezi vlastními neurony (nebo motorickým neuronem a výkonnou jednotkou, například svalem), což se projeví na zkrácení celkové reakční doby.

Až dosud se zrychlení synaptického přenosu připisovalo většinou jenom tomu, že se v určitém období po narození (u laboratorního potkana dvanáctý až patnáctý den) mění program výroby receptorů – v synaptických membránách neuronů se pomalé a nízkovodivé receptory pro neuropřenašeče nahrazují novými typy. Ty se otevírají rychleji a synchronněji, prochází jimi větší iontový proud. Tato představa vyplývala mj. i z našich nálezů v šedesátých letech, kdy jsme objevili na nervosvalové synapsi dva typy acetylcholinového „nikotinového“ receptoru-kanálu, jeden pomalý denervační (později prokázaný jako embryonální), druhý rychlý „dospělý“. ¹⁾ Přeměna „pomalého“ embryonálního receptoru-kanálu na „rychlý“ je dána změnou výrobního programu v jednom ze čtyř typů podjednotek formujících mezi sebou kanál (obrázek 1).

Některé synapse, především v centrálním nervovém systému, jsou ale vybaveny receptory, které mají téměř stejné složení a funkci jak v embryonálním, tak v dospělém organizmu. Přesto i u těchto zápojů pozorujeme zkracování reakční doby během dospívání. Jak se nyní ukazuje, zrychlení je podmíněno především morfologickou strukturální přestavbou. Takové synapse nacházíme třebas v mozečku. Mozeček (malý mozek, cerebellum) je centrum pro pohyb a umístění těla v prostoru. Sbíhají se v něm informace z oka, ze svalů, smyslů, kloubů, orgánů rovnováhy a korigují se pohyby i poloha těla. Zvláště dobře je vyvinut u ryb, ptáků a savců. U člověka mj. pomáhá udržovat polohové (posturální) reflexy, které zajišťují, abychom neupadli, což se nám všem, jak známo, často přihází ve věku batolecím (a některým i ve věku dospělém, buď pod vlivem alkoholu, nebo po úrazu, kdy je mozeček poškozen).

Právě na dvou typech mozečkových neuronů a jejich synapsích byla provedena společná studie francouzských, maďarských a britských badatelů vedených Stuartem G. Cull-Candym z University College v Londýně. Podařilo se jim prokázat, že se na zrychlení synaptických proudů skutečně nepodílí přestavba receptorů, ale změna uspořádání (morfologie) synapse. Pracovali na tenkých živých řezech z mozečků sedmidenních a tříměsíčních, tj. téměř dospělých laboratorních potkánků. A jak to dnes bývá pravidlem u mnoha kvalitních biomedicínských prací, použili současně několik metod, konkrétně elektrofyziologii, morfologii a matematické modelování (viz obrázek 2).

Při dospívání se synapse rozdělují a zmenšují, zužuje se také štěrbina mezi membránami před synapsí a za ní. Neuropřenašeč glutamát proto po vylití kvanta dospěje k receptorům rychleji, a po jejich aktivaci se zas bleskově odpoutá a rychle se vymývá ze synapse do prostoru vně buňky. K tomu přispívá také tvar kontaktů – z hlubokého pohárku se mění v jakési „pacičky“.

Tým Stuarta G. Cull-Candyho tedy předpokládá, že rychlejší doba nárůstu vlny synaptického proudu v dospělosti (viz užší vlnu směrem dolů v pravé dolní části obrázek 2) je důsledkem zúžení synaptické štěrbiny a zvýšení postsynaptické hustoty receptorů AMPA. ²⁾ Rychlejší návrat proudové vlny k nule je pak dán jednak rychlejší difuzí glutamátu ze štěrbiny, jednak tím, že díky novému morfologickému uspořádání nejsou receptory AMPA aktivovány znova ani postřikem z jednoho kvanta, natož překrytím postřiku z dvou kvant.

Známe ještě jeden, už třetí způsob urychlení přenosu na synapsi. Spočívá v lepší synchronizaci výlevu více váčků – ať už je jich pět, deset či sto – po jednom nervovém podráždění. Jak jsme nedávno ukázali, ³⁾ na zlepšení synchronizace řádově v desetinách milisekundy například působením adrenalinu a noradrenalinu se podílejí nejen membránové receptory-kanály, ale i biochemické děje, především fosforylace bílkovin váčku a nervových membrán, které slouží ke splynutí a výlevu jejich obsahu do synaptické štěrbiny. Ale to by byl už jiný příběh…