Название «зернистая клетка» использовалось для ряда различных типов нейронов , единственная общая черта которых состоит в том, что все они имеют очень маленькие клеточные тела . Клетки-зерна обнаруживаются в зернистом слое мозжечка , зубчатой извилине гиппокампа , поверхностном слое дорсального ядра улитки , обонятельной луковице и коре головного мозга .
Зернистые клетки мозжечка составляют большинство нейронов человеческого мозга. [1] Эти гранулярные клетки получают возбуждающий сигнал от мшистых волокон , происходящих из ядер моста . Зернистые клетки мозжечка проецируются вверх через слой Пуркинье в молекулярный слой , где они разветвляются на параллельные волокна, которые распространяются через дендритные ветви клеток Пуркинье . Эти параллельные волокна образуют тысячи возбуждающих синапсов гранулярные клетки-клетки Пуркинье на промежуточных и дистальных дендритах клеток Пуркинье, используя глутамат в качестве нейромедиатора .
Зернистые клетки слоя 4 коры головного мозга получают входные данные от таламуса и отправляют проекции в супрагранулярные слои 2–3, а также в инфрагранулярные слои коры головного мозга.
Клетки-зерна в разных отделах мозга функционально и анатомически разнообразны: единственное, что их объединяет, — это небольшие размеры. Например, гранулярные клетки обонятельной луковицы являются ГАМКергическими и лишены аксонов, тогда как гранулярные клетки зубчатой извилины имеют глутаматергические проекционные аксоны . Эти две популяции гранулярных клеток также являются единственными крупными популяциями нейронов, которые подвергаются нейрогенезу у взрослых , в то время как мозжечковые и кортикальные гранулярные клетки этого не делают. Клетки-зерна (за исключением клеток обонятельной луковицы) имеют структуру, типичную для нейрона, состоящую из дендритов , сомы (тела клетки) и аксона.
Дендриты : каждая гранулярная клетка имеет 3–4 коротких дендрита, которые заканчиваются клешней. Каждый из дендритов имеет длину всего около 15 мкм .
Сома : все гранулярные клетки имеют небольшой диаметр сомы, примерно 10 мкм.
Аксон : каждая гранулярная клетка посылает один аксон на дендритное дерево клеток Пуркинье. [ нужна цитация ] Аксон имеет чрезвычайно узкий диаметр: ½ микрометра.
Синапс : 100–300 000 аксонов гранулярных клеток образуют синапсы на одну клетку Пуркинье . [ нужна цитата ]
Существование щелевых соединений между гранулярными клетками позволяет множеству нейронов соединяться друг с другом, позволяя множеству клеток действовать синхронно, а также обеспечивает выполнение сигнальных функций, необходимых для развития гранулярных клеток. [2]
Гранулярные клетки, вырабатываемые ромбической губой , находятся в слое гранулярных клеток коры мозжечка . Они маленькие и многочисленные. Для них характерна очень маленькая сома и несколько коротких дендритов, оканчивающихся когтеобразными окончаниями. В просвечивающем электронном микроскопе эти клетки характеризуются темно-окрашенным ядром, окруженным тонким ободком цитоплазмы. Аксон поднимается в молекулярный слой, где расщепляется, образуя параллельные волокна . [1]
Основным типом клеток зубчатой извилины являются гранулярные клетки. Зернистая клетка зубчатой извилины имеет эллиптическое тело клетки шириной примерно 10 мкм и высотой 18 мкм. [3]
Зернистая клетка имеет характерное конусовидное дерево из колючих апикальных дендритов . Ветви дендритов проецируются по всему молекулярному слою, а самые дальние кончики дендритного дерева заканчиваются у щели гиппокампа или на поверхности желудочка. [4] Клетки-зерна плотно упакованы в слое зернистых клеток зубчатой извилины.
Клетки-зерна в дорсальном ядре улитки представляют собой небольшие нейроны с двумя или тремя короткими дендритами, которые дают начало нескольким ветвям с расширениями на концах. Дендриты короткие, с когтеобразными окончаниями, которые образуют клубочки , в которые вставляются мшистые волокна , подобные зернистым клеткам мозжечка. [5] Его аксон проецируется на молекулярный слой дорсального ядра улитки, где образует параллельные волокна, также похожие на зернистые клетки мозжечка. [6] Дорсальные гранулярные клетки улитки представляют собой небольшие возбуждающие интернейроны , которые связаны по развитию и, таким образом, напоминают зернистые клетки мозжечка.
Основная внутренняя гранулярная клетка обонятельной луковицы позвоночных лишена аксона (как и добавочный нейрон). Каждая клетка дает короткие центральные дендриты и один длинный апикальный дендрит, который расширяется в слой гранулярных клеток и входит в слой тела митральных клеток . Ветви дендритов заканчиваются внутри внешнего плексиформного слоя среди дендритов обонятельного тракта . [7] В обонятельной луковице млекопитающих гранулярные клетки могут обрабатывать как синаптический вход, так и выход из-за наличия крупных шипов. [8]
Зернистые клетки мозжечка получают возбуждающий сигнал от 3 или 4 мшистых волокон , исходящих из ядер моста . Мшистые волокна образуют возбуждающее соединение с гранулярными клетками, что заставляет гранулярные клетки активировать потенциал действия.
Аксон зернистой клетки мозжечка разделяется, образуя параллельное волокно , иннервирующее клетки Пуркинье . Подавляющее большинство аксональных синапсов гранулярных клеток находится на параллельных волокнах. [9]
Параллельные волокна направляются вверх через слой Пуркинье в молекулярный слой , где они разветвляются и распространяются через дендритные ветви клеток Пуркинье. Эти параллельные волокна образуют тысячи возбуждающих синапсов гранулярные клетки-клетки Пуркинье на дендритах клеток Пуркинье.
Эта связь является возбуждающей, поскольку высвобождается глутамат .
Параллельные волокна и синапсы восходящих аксонов одной и той же гранулярной клетки активируются синхронно, что приводит к возникновению возбуждающих сигналов. В коре мозжечка имеются разнообразные тормозные нейроны ( интернейроны ). Единственными возбуждающими нейронами, присутствующими в коре мозжечка, являются гранулярные клетки. [10]
Считается, что пластичность синапса между параллельным волокном и клеткой Пуркинье важна для двигательного обучения . [11] Функция цепей мозжечка полностью зависит от процессов, осуществляемых зернистым слоем. Следовательно, функция клеток-зерен определяет функцию мозжечка в целом. [12]
Дендриты гранулярных клеток также образуют синапсы с характерными безмиелинизированными аксонами, которые Сантьяго Рамон-и-Кахаль назвал мшистыми волокнами [4]. Мшистые волокна и клетки Гольджи образуют синаптические связи с гранулярными клетками. Вместе эти клетки образуют клубочки. [10]
Гранулярные клетки подвергаются прямому торможению : гранулярные клетки возбуждают клетки Пуркинье, но также возбуждают ГАМКергические интернейроны, которые ингибируют клетки Пуркинье.
Клетки-гранулы также подвержены торможению по принципу обратной связи : клетки Гольджи получают возбуждающие стимулы от клеток-зерен и, в свою очередь, посылают обратно ингибирующие сигналы клеткам-зернам. [13]
Входные коды мшистых волокон сохраняются во время синаптической передачи между гранулярными клетками, что позволяет предположить, что иннервация специфична для получаемого входного сигнала. [14] Клетки-зерна не просто передают сигналы от мшистых волокон, они, скорее, выполняют различные, сложные преобразования, которые необходимы в пространственно-временной области. [10]
Каждая гранулярная ячейка получает входные данные от двух разных входов мшистых волокон. Таким образом, входные данные поступают из двух разных мест, в отличие от гранулярной ячейки, получающей несколько входных данных из одного и того же источника.
Различия в мшистых волокнах, которые посылают сигналы гранулярным клеткам, напрямую влияют на тип информации, которую гранулярные клетки транслируют в клетки Пуркинье. Надежность этой трансляции будет зависеть от надежности синаптической активности клеток-зерен и от природы получаемого стимула. [15] Сигнал, который гранулярная клетка получает от мшистого волокна, зависит от функции самого мшистого волокна. Таким образом, гранулярные клетки способны интегрировать информацию из различных волокон мха и генерировать новые модели активности. [15]
Различные паттерны поступления мшистых волокон будут вызывать уникальные паттерны активности в гранулярных клетках, которые можно модифицировать с помощью обучающего сигнала, передаваемого входными лазящими волокнами . Дэвид Марр и Джеймс Альбус предположили, что мозжечок действует как адаптивный фильтр, изменяя двигательное поведение в зависимости от характера сенсорной информации.
Поскольку несколько (около 200 000) гранулярных клеток образуют синапсы с одной клеткой Пуркинье, эффекты каждого параллельного волокна могут быть изменены в ответ на «сигнал учителя» от входа восходящего волокна.
Дэвид Марр предположил, что гранулярные клетки кодируют комбинации мшистых волокон. Чтобы гранулярная клетка отреагировала, она должна получать активные сигналы от нескольких мшистых волокон. Сочетание нескольких входных сигналов приводит к тому, что мозжечок способен проводить более точные различия между входными паттернами, чем это позволяет одно мшистое волокно. [16] Зернистые клетки мозжечка также играют роль в организации тонической проводимости, которая контролирует сон, в сочетании с окружающими уровнями ГАМК, которые обнаруживаются в мозге.
Потеря нейронов зубчатой извилины в гиппокампе приводит к дефициту пространственной памяти. Таким образом, считается, что зубчатые гранулярные клетки участвуют в формировании пространственной памяти [17] и эпизодической памяти. [18] Незрелые и зрелые зубчатые гранулярные клетки играют различную роль в функции памяти. Считается, что рожденные во взрослом состоянии гранулярные клетки участвуют в разделении структур, тогда как старые гранулярные клетки способствуют быстрому завершению структуры. [19]
Пирамидные клетки первичной слуховой коры проецируются непосредственно в ядро улитки. Это важно для акустического рефлекса испуга , при котором пирамидные клетки модулируют рефлекс вторичной ориентации, а вход гранулярных клеток отвечает за соответствующую ориентацию. [20] Это связано с тем, что сигналы, полученные клетками-зернами, содержат информацию о положении головы. Гранульные клетки дорсального ядра улитки играют роль в восприятии звуков окружающей среды и реакции на них.
Торможение, генерируемое гранулярными клетками, наиболее распространенным типом ГАМКергических клеток обонятельной луковицы, играет решающую роль в формировании продукции обонятельной луковицы. [21] Существует два типа возбуждающих импульсов, получаемых ГАМКергическими гранулярными клетками; те, которые активируются рецептором AMPA , и те, которые активируются рецептором NMDA . Это позволяет гранулярным клеткам регулировать обработку сенсорной информации в обонятельной луковице. [21] Обонятельная луковица передает информацию о запахе от носа к мозгу и, таким образом, необходима для правильного обоняния. Было также обнаружено, что гранулярные клетки обонятельной луковицы играют важную роль в формировании воспоминаний, связанных с запахами. [22]
Динамика кальция важна для нескольких функций гранулярных клеток, таких как изменение мембранного потенциала , синаптическая пластичность , апоптоз и регуляция транскрипции генов . [10] Природа кальциевых сигналов, которые контролируют пресинаптическую и постсинаптическую функцию шипиков гранулярных клеток обонятельной луковицы, в основном неизвестна. [8]
Нейроны-гранулы имеют высокий уровень нейрональной изоформы синтазы оксида азота . Этот фермент зависит от присутствия кальция и отвечает за выработку оксида азота (NO). Этот нейротрансмиттер является негативным регулятором пролиферации предшественников гранулярных клеток, который способствует дифференцировке различных гранулярных клеток. NO регулирует взаимодействие между гранулярными клетками и глией [10] и необходим для защиты гранулярных клеток от повреждений. NO также отвечает за нейропластичность и двигательное обучение . [23]
TrkB отвечает за поддержание нормальной синаптической связи зубчатых гранулярных клеток. TrkB также регулирует специфическую морфологию (биологию) гранулярных клеток и, таким образом, считается важным в регуляции развития нейронов, пластичности нейронов, обучения и развития эпилепсии . [24] Регуляция TrkB гранулярных клеток важна для предотвращения дефицита памяти и лимбической эпилепсии. Это связано с тем, что зубчатые гранулярные клетки играют решающую роль в функционировании энторинально-гиппокампальной схемы в норме и при заболеваниях. Зубчатые гранулярные клетки расположены для регулирования потока информации в гиппокамп — структуру, необходимую для нормального обучения и памяти. [24]
И эпилепсия , и депрессия демонстрируют нарушение производства гранулярных клеток гиппокампа взрослого человека. [25] Эпилепсия связана с повышенным производством (но аномальной интеграцией) новых клеток на ранних стадиях заболевания и снижением производства на поздних стадиях заболевания. [25] Аберрантная интеграция клеток, генерируемых взрослыми, во время развития эпилепсии может ухудшить способность зубчатой извилины предотвращать попадание избыточной возбуждающей активности в пирамидные клетки гиппокампа , тем самым способствуя судорогам. [25] Длительные эпилептические припадки стимулируют нейрогенез зубчатых гранулярных клеток. Эти новорожденные зубчатые гранулярные клетки могут приводить к аберрантным связям, которые приводят к пластичности сети гиппокампа, связанной с эпилептогенезом . [26]
У пациентов с болезнью Альцгеймера дендриты гранулярных клеток короче. Кроме того, дендриты были менее разветвленными и имели меньше шипов, чем у пациентов, не страдающих болезнью Альцгеймера. [27] Однако дендриты гранулярных клеток не являются важным компонентом сенильных бляшек, и эти бляшки не оказывают прямого влияния на гранулярные клетки зубчатой извилины. Специфические нейрофибриллярные изменения зубчатых гранулярных клеток наблюдаются у пациентов с болезнью Альцгеймера, вариантом с тельцами Леви и прогрессирующим супрануклеарным параличом . [28]
Список различных типов клеток в организме взрослого человека