Περίληψη: Οι ερευνητές παρουσιάζουν μια μοριακή δυναμική προσομοίωση όλων των ατόμων της σύντηξης συναπτικών κυστιδίων.
Πηγή: Texas Advanced Computing Center
Ας σκεφτούμε για λίγο τη σκέψη—συγκεκριμένα, τη φυσική των νευρώνων στον εγκέφαλο.
Αυτό το θέμα ήταν το δια βίου ενδιαφέρον του Jose Rizo-Rey, καθηγητή Βιοφυσικής στο Southwestern Medical Center του Πανεπιστημίου του Τέξας.
Ο εγκέφαλός μας έχει δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα ή νευρώνες και κάθε νευρώνας έχει χιλιάδες συνδέσεις με άλλους νευρώνες. Οι βαθμονομημένες αλληλεπιδράσεις αυτών των νευρώνων είναι αυτό από το οποίο αποτελούνται οι σκέψεις, είτε το σαφές είδος – μια μακρινή μνήμη που εμφανίζεται – είτε το δεδομένο είδος – η περιφερειακή μας επίγνωση του περιβάλλοντός μας καθώς κινούμαστε στον κόσμο.
«Ο εγκέφαλος είναι ένα καταπληκτικό δίκτυο επικοινωνιών», είπε ο Rizo-Rey. «Όταν ένα κύτταρο διεγείρεται από ηλεκτρικά σήματα, συμβαίνει πολύ γρήγορη σύντηξη συναπτικών κυστιδίων. Οι νευροδιαβιβαστές βγαίνουν από το κύτταρο και συνδέονται με υποδοχείς στη συναπτική πλευρά. Αυτό είναι το σήμα και αυτή η διαδικασία είναι πολύ γρήγορη».
Το πώς ακριβώς αυτά τα σήματα μπορούν να συμβούν τόσο γρήγορα – λιγότερο από 60 μικροδευτερόλεπτα ή εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου – είναι το επίκεντρο της έντονης μελέτης. Το ίδιο συμβαίνει και με την απορρύθμιση αυτής της διαδικασίας στους νευρώνες, η οποία προκαλεί μια σειρά από νευρολογικές καταστάσεις, από το Αλτσχάιμερ έως τη νόσο του Πάρκινσον.
Δεκαετίες έρευνας οδήγησαν σε μια ενδελεχή κατανόηση των κύριων πρωτεϊνικών παικτών και των ευρειών εγκεφαλικών επεισοδίων της σύντηξης μεμβράνης για συναπτική μετάδοση. Ο Bernard Katz τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Ιατρικής το 1970, εν μέρει για την απόδειξη ότι η χημική συναπτική μετάδοση αποτελείται από ένα συναπτικό κυστίδιο γεμάτο νευροδιαβιβαστή που συγχωνεύεται με την πλασματική μεμβράνη στις νευρικές απολήξεις και απελευθερώνει το περιεχόμενό του στο αντίθετο μετασυναπτικό κύτταρο.
Και ο μακροχρόνιος συνεργάτης του Rizo-Rey, Thomas Südhof, κέρδισε το Νόμπελ Ιατρικής το 2013 για τις μελέτες του σχετικά με τον μηχανισμό που μεσολαβεί στην απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών (πολλοί με τον Rizo-Rey ως συν-συγγραφέα).
Αλλά ο Rizo-Rey λέει ότι στόχος του είναι να κατανοήσει τη συγκεκριμένη φυσική του τρόπου με τον οποίο συμβαίνει η διαδικασία ενεργοποίησης της σκέψης με πολύ περισσότερες λεπτομέρειες. «Αν μπορώ να το καταλάβω αυτό, η κατάκτηση του βραβείου Νόμπελ θα ήταν απλώς μια μικρή ανταμοιβή», είπε.
Πρόσφατα, χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή Frontera στο Texas Advanced Computing Center (TACC), ένα από τα πιο ισχυρά συστήματα στον κόσμο, η Rizo-Rey εξερευνά αυτή τη διαδικασία, δημιουργώντας ένα μοντέλο πολλών εκατομμυρίων ατόμων των πρωτεϊνών, των μεμβρανών και το περιβάλλον τους και να τα θέσουμε σε κίνηση εικονικά για να δούμε τι συμβαίνει, μια διαδικασία γνωστή ως μοριακή δυναμική.
Γράφοντας στο eLife τον Ιούνιο του 2022, ο Rizo-Rey και οι συνεργάτες του παρουσίασαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με όλα τα άτομα της σύντηξης συναπτικών κυστιδίων, παρέχοντας μια ματιά στην αρχική κατάσταση. Η έρευνα δείχνει ένα σύστημα όπου αρκετές εξειδικευμένες πρωτεΐνες «φορτώνονται με την άνοιξη», περιμένοντας μόνο την παράδοση ιόντων ασβεστίου για να πυροδοτήσουν τη σύντηξη.
«Είναι έτοιμο να κυκλοφορήσει, αλλά δεν το κάνει», εξήγησε. «Γιατί όχι; Περιμένει το σήμα ασβεστίου. Η νευροδιαβίβαση αφορά τον έλεγχο της σύντηξης. Θέλετε να έχετε το σύστημα έτοιμο για σύντηξη, οπότε όταν εισέλθει το ασβέστιο, μπορεί να συμβεί πολύ γρήγορα, αλλά δεν συντήκεται ακόμα».
Η μελέτη αντιπροσωπεύει μια επιστροφή στις υπολογιστικές προσεγγίσεις για τον Rizo-Rey, ο οποίος θυμάται ότι χρησιμοποίησε τον αρχικό υπερυπολογιστή Cray στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Συνέχισε να χρησιμοποιεί κυρίως πειραματικές μεθόδους όπως η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού τις τελευταίες τρεις δεκαετίες για να μελετήσει τη βιοφυσική του εγκεφάλου.
«Οι υπερυπολογιστές δεν ήταν αρκετά ισχυροί για να επιλύσουν αυτό το πρόβλημα του τρόπου με τον οποίο γινόταν η μετάδοση στον εγκέφαλο. Έτσι, για πολύ καιρό, χρησιμοποιούσα άλλες μεθόδους», είπε. «Ωστόσο, με τη Frontera, μπορώ να μοντελοποιήσω 6 εκατομμύρια άτομα και να έχω πραγματικά μια εικόνα του τι συμβαίνει με αυτό το σύστημα».
Οι προσομοιώσεις του Rizo-Rey καλύπτουν μόνο τα πρώτα μικροδευτερόλεπτα της διαδικασίας σύντηξης, αλλά η υπόθεσή του είναι ότι η πράξη της σύντηξης θα πρέπει να συμβεί σε αυτό το χρονικό διάστημα. «Αν δω πώς ξεκινάει, τα λιπίδια αρχίζουν να αναμιγνύονται, τότε θα ζητήσω 5 εκατομμύρια ώρες [ο μέγιστος διαθέσιμος χρόνος] στο Frontera», είπε, για να αποτυπώσω το στιγμιότυπο των πρωτεϊνών με ελατήριο και το βήμα- διαδικασία κατά βήμα με την οποία γίνεται η σύντηξη και η μετάδοση.
Ο Rizo-Rey λέει ότι ο τεράστιος όγκος υπολογισμού που μπορεί να αξιοποιηθεί σήμερα είναι απίστευτος. «Έχουμε ένα σύστημα υπερυπολογιστή εδώ στο Νοτιοδυτικό Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου του Τέξας. Μπορώ να χρησιμοποιήσω έως και 16 κόμβους», είπε. «Αυτό που έκανα στη Frontera, αντί για λίγους μήνες, θα χρειαζόταν 10 χρόνια».
Η επένδυση στη βασική έρευνα – και στα υπολογιστικά συστήματα που υποστηρίζουν αυτό το είδος έρευνας – είναι θεμελιώδης για την υγεία και την ευημερία του έθνους μας, λέει ο Rizo-Rey.
«Αυτή η χώρα ήταν πολύ επιτυχημένη λόγω της βασικής έρευνας. Η μετάφραση είναι σημαντική, αλλά αν δεν έχετε τη βασική επιστήμη, δεν έχετε τίποτα να μεταφράσετε».
Πηγή: neurosciencenews.com
