Клетки Пуркинье или нейроны Пуркинье , названные в честь чешского физиолога Яна Евангелиста Пуркине , который идентифицировал их в 1837 году, представляют собой уникальный тип крупных нейронов , расположенных в коре мозжечка головного мозга . Благодаря своим клеточным телам в форме колбы, множеству ветвящихся дендритов и одному длинному аксону эти клетки необходимы для контроля двигательной активности. Клетки Пуркинье в основном выделяют нейротрансмиттер ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который ингибирует некоторые нейроны, снижая передачу нервных импульсов. Клетки Пуркинье эффективно контролируют и координируют двигательные движения тела посредством этих тормозящих действий. [2] [3]
Канонически каждая взрослая клетка Пуркинье получает примерно 500 синапсов лазающих волокон, все из которых происходят из одного лазящего волокна нижней оливы. [6] Это привело к идее, что «высоко консервативное взаимно-однозначное соотношение объединяет дендриты Пуркинье в единый вычислительный отсек». [7] Однако сейчас обнаружено, что множественная иннервация «происходит» у мышей среди подмножества клеток Пуркинье с множественными первичными дендритами, дендритным мотивом, который редко встречается у грызунов, но «преобладает» у людей. [7]
Как корзинчатые, так и звездчатые клетки (обнаруженные в молекулярном слое мозжечка ) обеспечивают ингибирующий (ГАМКергический) вход в клетку Пуркинье, при этом корзинчатые клетки образуют синапсы на начальном сегменте аксона клеток Пуркинье, а звездчатые клетки - на дендритах.
Клетки Пуркинье посылают тормозные проекции в глубокие ядра мозжечка и представляют собой единственный результат всей двигательной координации в коре мозжечка.
Молекулярный
Слой Пуркинье мозжечка , который содержит клеточные тела клеток Пуркинье и глию Бергмана , экспрессирует большое количество уникальных генов. [8] Маркеры генов, специфичных для Пуркинье, были также предложены путем сравнения транскриптома мышей с дефицитом Пуркинье с транскриптомом мышей дикого типа. [9] Одним из показательных примеров является белок 4 клеток Пуркинье ( PCP4 ) у нокаутных мышей , у которых наблюдается нарушение локомоторного обучения и заметно измененная синаптическая пластичность в нейронах Пуркинье. [10] [11] PCP4 ускоряет как ассоциацию, так и диссоциацию кальция (Ca 2+ ) с кальмодулином (CaM) в цитоплазме клеток Пуркинье, а его отсутствие ухудшает физиологию этих нейронов. [10] [11] [12] [13]
Разработка
Исследования эмбрионов млекопитающих подробно описали нейрогенное происхождение клеток Пуркинье. [14] На ранних стадиях развития клетки Пуркинье возникают в желудочковой зоне нервной трубки, предшественнике нервной системы эмбриона. Все нейроны мозжечка происходят из зародышевого нейроэпителия желудочковой зоны. [15] Клетки Пуркинье специфически генерируются из предшественников желудочкового нейроэпителия эмбрионального зачатка мозжечка. [16] Первые клетки, образующиеся из зачатка мозжечка, образуют колпачок над ромбовидной полостью развивающегося мозга, называемой четвертым желудочком, образуя два полушария мозжечка. Клетки Пуркинье, которые развиваются позже, относятся к центральной части мозжечка, называемой червем. Они развиваются в зачатке мозжечка, который покрывает четвертый желудочек, и ниже щелевидной области, называемой перешейком развивающегося мозга. Клетки Пуркинье мигрируют к внешней поверхности коры мозжечка и образуют слой клеток Пуркинье.
Клетки Пуркинье рождаются на самых ранних стадиях нейрогенеза мозжечка. Нейрогенин2 вместе с нейрогенином1 временно экспрессируются в ограниченных доменах желудочкового нейроэпителия в течение временного окна генеза клеток Пуркинье. [17] Этот пространственно-временной паттерн распределения предполагает, что нейрогенины участвуют в спецификации фенотипически гетерогенных подмножеств клеток Пуркинье, в конечном итоге ответственных за построение каркаса топографии мозжечка.
На мышах и людях имеются доказательства того, что клетки костного мозга либо сливаются с клетками Пуркинье мозжечка, либо генерируют их, и вполне возможно, что клетки костного мозга либо путем прямого образования, либо путем слияния клеток могут играть роль в восстановлении повреждений центральной нервной системы. [18] [19] [20] [21] [22] Дальнейшие данные указывают на возможность существования общего предка стволовых клеток среди нейронов Пуркинье, B-лимфоцитов и альдостерон -продуцирующих клеток коры надпочечников человека . [21]
Функция
Клетки Пуркинье демонстрируют две различные формы электрофизиологической активности:
Простые спайки возникают с частотой 17–150 Гц (Raman and Bean, 1999) либо спонтанно, либо когда клетки Пуркинье активируются синаптически параллельными волокнами, аксонами гранулярных клеток.
Сложные спайки — это медленные спайки частотой 1–3 Гц, характеризующиеся начальным продолжительным спайком большой амплитуды, за которым следует высокочастотный всплеск потенциалов действия меньшей амплитуды. Они вызваны активацией карабкающихся волокон и могут включать в себя генерацию опосредованных кальцием потенциалов действия в дендритах. После сложной импульсной активности простые спайки могут быть подавлены мощным входным комплексным спайком. [23]
Клетки Пуркинье проявляют спонтанную электрофизиологическую активность в виде цепочек спайков, как натрий-зависимых, так и кальций-зависимых. Первоначально это было показано Родольфо Ллинасом (Ллинас и Хесс (1977) и Ллинас и Сугимори (1980)). Кальциевые каналы P-типа были названы в честь клеток Пуркинье, где они впервые были обнаружены (Llinas et al. 1989), которые имеют решающее значение для функции мозжечка. Активация клетки Пуркинье по лазящим волокнам может переводить ее активность из спокойного состояния в спонтанно активное и наоборот, служа своеобразным тумблером. [24] Эти результаты были оспорены исследованием, показавшим, что такое переключение с помощью входов лазающих волокон происходит преимущественно у анестезированных животных и что клетки Пуркинье у бодрствующих животных в целом работают почти непрерывно в северной части штата. [25] Но это последнее исследование само по себе было оспорено [26] , и с тех пор у бодрствующих кошек наблюдалось переключение клеток Пуркинье. [27] Вычислительная модель клетки Пуркинье показала, что за переключение ответственны внутриклеточные вычисления кальция. [28]
Результаты показали, что дендриты клеток Пуркинье выделяют эндоканнабиноиды , которые могут временно подавлять как возбуждающие, так и тормозные синапсы. [29] Режим собственной активности клеток Пуркинье устанавливается и контролируется натрий-калиевым насосом . [30] Это говорит о том, что насос может быть не просто гомеостатической молекулой, «хозяйственной» для ионных градиентов. Вместо этого это может быть вычислительный элемент в мозжечке и мозге. [31] Действительно, мутация в Na+ - К+ насос вызывает быстрое начало дистонии, паркинсонизма; его симптомы указывают на то, что это патология вычислений мозжечка. [32]
Кроме того, использование яда уабаина для блокирования Na+ - К+ насосы в мозжечке живой мыши вызывают атаксию и дистонию . [33] Численное моделирование экспериментальных данных показывает, что in vivo Na+ - К+ насос производит длинные периоды покоя (>>1 с) до срабатывания нейронов Пуркинье; они могут иметь вычислительную роль. [34] Алкоголь ингибирует Na+ - К+ насосы в мозжечке, и именно это, вероятно, нарушает работу мозжечка и координацию тела. [35] [36]
Клиническое значение
У людей клетки Пуркинье могут быть повреждены различными причинами: токсическое воздействие, например, алкоголя или лития; аутоиммунные заболевания ; генетические мутации, вызывающие спиноцеребеллярную атаксию, глютеновую атаксию , болезнь Унферрихта-Лундборга или аутизм ; и нейродегенеративные заболевания, о генетической основе которых неизвестно, такие как мозжечковый тип множественной системной атрофии или спорадические атаксии. [37] [38]
Глютеновая атаксия — аутоиммунное заболевание, вызванное употреблением глютена . [39] Гибель клеток Пуркинье в результате воздействия глютена необратима. Ранняя диагностика и лечение безглютеновой диетой могут улучшить атаксию и предотвратить ее прогрессирование. [37] [40] Менее 10% людей с атаксией глютена имеют какие-либо желудочно-кишечные симптомы, но около 40% имеют повреждение кишечника. [40] На его долю приходится 40% атаксий неясного происхождения и 15% всех атаксий. [40]
У некоторых домашних животных может развиться состояние, при котором клетки Пуркинье начинают атрофироваться вскоре после рождения, называемое абиотрофией мозжечка . Это может привести к таким симптомам, как атаксия , интенционный тремор, гиперреактивность, отсутствие рефлекса угрозы , скованная походка или высокая походка, кажущееся отсутствие осознания положения стопы (иногда стоя или ходьба с согнутой ногой) и общая неспособность определить пространство и расстояние. [42] Подобное состояние, известное как гипоплазия мозжечка , возникает, когда клетки Пуркинье не развиваются внутриутробно или отмирают до рождения.
Генетические состояния атаксия-телеангиэктазия и болезнь Нимана-Пика типа C, а также эссенциальный тремор мозжечка приводят к прогрессирующей потере клеток Пуркинье. При болезни Альцгеймера иногда наблюдают патологию позвоночника, а также потерю дендритных ветвей клеток Пуркинье. [43] Клетки Пуркинье также могут быть повреждены вирусом бешенства , когда он мигрирует из места заражения на периферии в центральную нервную систему. [44]
Этимология
Клетки Пуркинье названы в честь чешского ученого Яна Евангелиста Пуркине, открывшего их в 1839 году .
^ Тиррелл, Т; Уиллшоу, Д. (29 мая 1992 г.). «Кора мозжечка: ее моделирование и актуальность теории Марра». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 336 (1277): 239–57. Бибкод : 1992RSPTB.336..239T. дои : 10.1098/rstb.1992.0059. ПМИД 1353267.
^ Вадиче, Дж.И.; Яр, CE (25 октября 2001 г.). «Мультивезикулярное высвобождение при восхождении на синапсы волокон-клеток Пуркинье». Нейрон . 32 (2): 301–13. дои : 10.1016/S0896-6273(01)00488-3 . ПМИД 11683999.
^ аб Буш, Сайлас Э.; Гензель, Кристиан (2023). «Мультииннервация лазающих волокон дендритов Пуркинье мыши с ветвлением, свойственным человеку». Наука . 381 (6656): 420–427. дои : 10.1126/science.adi1024. ISSN 0036-8075.
^ Кирш, Л; Лискович, Н; Чечик Г. (декабрь 2012 г.). Олер, Уве (ред.). «Локализация генов в слоях мозжечка путем классификации изображений ISH». PLOS Вычислительная биология . 8 (12): e1002790. Бибкод : 2012PLSCB...8E2790K. дои : 10.1371/journal.pcbi.1002790 . ПМЦ 3527225 . ПМИД 23284274.
^ Ронг, Ю; Ван Т; Морган Дж (2004). «Идентификация потенциальных маркеров, специфичных для клеток Пуркинье, путем анализа экспрессии генов у мышей дикого типа и pcd3j». Молекулярные исследования мозга . 13 (2): 128–145. doi :10.1016/j.molbrainres.2004.10.015. ПМИД 15582153.
^ abc Фелисола С.Дж., Накамура Ю., Оно Ю., Китамура К., Кикучи К., Онодера Ю., Исе К., Такасе К., Сугавара А., Хаттангади Н., Рейни В.Е., Сато Ф., Сасано Х. (апрель 2014 г.). «PCP4: регулятор синтеза альдостерона в тканях надпочечников человека». Журнал молекулярной эндокринологии . 52 (2): 159–167. doi : 10.1530/JME-13-0248. ПМК 4103644 . ПМИД 24403568.
^ Аб Вэй П., Бландон Дж.А., Ронг Ю., Захаренко С.С., Морган Дж.И. (2011). «Нарушение локомоторного обучения и изменение синаптической пластичности мозжечка у мышей с нулевым содержанием pep-19 / PCP4». Мол. Клетка. Биол . 31 (14): 2838–44. дои : 10.1128/MCB.05208-11. ПМК 3133400 . ПМИД 21576365.
^ Путки Дж.А., Клирекопер К., Гертнер Т.Р., Ваксхэм Миннесота (2004). «Новая роль белков мотива IQ в регуляции функции кальмодулина». Ж. Биол. Хим . 278 (50): 49667–70. дои : 10.1074/jbc.C300372200 . ПМИД 14551202.
^ Зордан П., Крочи Л., Хоукс Р., Консалес Г.Г. (2008). «Сравнительный анализ экспрессии пронейральных генов в эмбриональном мозжечке». Дев Дин . 237 (6): 726–735. дои : 10.1002/dvdy.21571 . ПМИД 18498101.
^ Хесс, округ Колумбия, Хилл В.Д., Кэрролл Дж.Э., Борлонган CV (2004). «Генерируют ли клетки костного мозга нейроны?». Архив неврологии . 61 (4): 483–485. дои : 10.1001/archneur.61.4.483 . ПМИД 15096394.
^ Вейманн Дж. М., Йоханссон CB, Трехо А., Блау Х. М. (2003). «Стабильные перепрограммированные гетерокарионы спонтанно образуются в нейронах Пуркинье после трансплантации костного мозга». Природная клеточная биология . 5 (11): 959–966. дои : 10.1038/ncb1053. PMID 14562057. S2CID 33685652.
^ Альварес-Доладо М., Пардал Р., Гарсия-Вердуго Х.М., Фике-младший, Ли Х.О., Пфеффер К., Лоис С., Моррисон С.Дж., Альварес-Буйя А. (2003). «Слияние клеток костного мозга с нейронами Пуркинье, кардиомиоцитами и гепатоцитами». Природа . 425 (6961): 968–973. Бибкод : 2003Natur.425..968A. дои : 10.1038/nature02069. hdl : 2027.42/62789 . PMID 14555960. S2CID 4394453.
^ аб Фелизола С.Дж., Катсу К., Исе К., Накамура Ю., Арай Ю., Сато Ф., Сасано Х. (2015). «Экспрессия белка 3 Pre-B-лимфоцитов (VPREB3) в коре надпочечников: прецедент неиммунологической роли в нормальных и неопластических тканях человека». Эндокринная патология . 26 (2): 119–28. doi : 10.1007/s12022-015-9366-7. PMID 25861052. S2CID 27271366.
^ Кемп К., Уилкинс А., Сколдинг Н. (2014). «Слияние клеток в мозге: две клетки вперед, одна клетка назад». Акта Нейропатологика . 128 (5): 629–638. дои : 10.1007/s00401-014-1303-1. ПМК 4201757 . ПМИД 24899142.
^ Эрик Р. Кандел, Джеймс Х. Шварц, Томас М. Джессел (2000). Принципы нейронауки. 4/е. МакГроу-Хилл. стр.837-40.
^ Левенштейн Ю., Махон С., Чаддертон П., Китамура К., Сомполинский Х., Яром Ю. и др. (2005). «Бистабильность клеток Пуркинье мозжечка, модулируемая сенсорной стимуляцией». Природная неврология . 8 (2): 202–211. дои : 10.1038/nn1393. PMID 15665875. S2CID 5543355.
^ Шонвилле М., Хосровани С., Винкельман Б.Х., Хобик Ф.Е., ДеДжеу М.Т., Ларсен И.М. и др. (2006). «Клетки Пуркинье у бодрствующих животных работают с повышенным мембранным потенциалом». Природная неврология . 9 (4): 459–461. дои : 10.1038/nn0406-459 . ПМИД 16568098.
^ Левенштейн Ю., Махон С., Чаддертон П., Китамура К., Сомполинский Х., Яром Ю. и др. (2006). «Клетки Пуркинье у бодрствующих животных работают с повышенным мембранным потенциалом – Ответ». Природная неврология . 9 : 461. doi : 10.1038/nn0406-461 . S2CID 28713325.
^ Ярцев М.М., Гивон-Майо Р., Маллер М., Дончин О. (2009). «Приостановка клеток Пуркинье в мозжечке бодрствующей кошки». Границы системной нейронауки . 3 :2. doi : 10.3389/neuro.06.002.2009 . ПМК 2671936 . ПМИД 19390639.
^ Форрест, доктор медицины (2014). «Динамика внутриклеточного кальция позволяет модели нейронов Пуркинье выполнять переключение и получать вычисления на своих входных данных». Границы вычислительной нейронауки . 8 : 86. дои : 10.3389/fncom.2014.00086 . ПМЦ 4138505 . ПМИД 25191262.
^ Крейцер AC, Regehr WG (март 2001 г.). «Ретроградное ингибирование пресинаптического притока кальция эндогенными каннабиноидами в возбуждающих синапсах на клетки Пуркинье». Нейрон . 29 (3): 717–27. дои : 10.1016/S0896-6273(01)00246-X . ПМИД 11301030.
^ Форрест, доктор медицины (декабрь 2014 г.). «Натриево-калиевый насос является элементом обработки информации в вычислениях мозга». Границы в физиологии . 5 (472): 472. doi : 10.3389/fphys.2014.00472 . ПМК 4274886 . ПМИД 25566080.
^ Кэннон C (июль 2004 г.). «Расплата за насос: дистония из-за мутаций в Na +/K +-АТФазе». Нейрон . 43 (2): 153–154. дои : 10.1016/j.neuron.2004.07.002 . ПМИД 15260948.
^ Кальдерон Д.П., Фремонт Р., Краенцлин Ф., Ходаха К. (март 2011 г.). «Нейральные субстраты быстро возникающей дистонии-паркинсонизма». Природная неврология . 14 (3): 357–65. дои : 10.1038/nn.2753. ПМК 3430603 . ПМИД 21297628.
^ Форрест, доктор медицины (2014). «Динамика внутриклеточного кальция позволяет модели нейронов Пуркинье выполнять переключение и получать вычисления на своих входных данных». Границы вычислительной нейронауки . 8 : 86. дои : 10.3389/fncom.2014.00086 . ПМЦ 4138505 . ПМИД 25191262.
^ Форрест, доктор медицины (апрель 2015 г.). «Моделирование действия алкоголя на подробной модели нейронов Пуркинье и более простой суррогатной модели, которая работает более чем в 400 раз быстрее». BMC Нейронаука . 16 (27): 27. дои : 10.1186/s12868-015-0162-6 . ПМЦ 4417229 . ПМИД 25928094.
^ Форрест, Майкл (апрель 2015 г.). "the_neuroscience_reason_we_fall_over_when_drunk". Наука 2.0 .
^ ab Митома Х., Адхикари К., Эшлиманн Д., Чаттопадхай П., Хадживассилиу М., Хампе CS и др. (2016). «Консенсусный документ: Нейроиммунные механизмы мозжечковых атаксий». Мозжечок (Обзор). 15 (2): 213–32. doi : 10.1007/s12311-015-0664-x. ПМЦ 4591117 . ПМИД 25823827.
^ Джабер М (2017). «Мозжечок как главный игрок в двигательных нарушениях, связанных с расстройствами аутистического синдрома». Энцефале (обзор). 43 (2): 170–175. doi :10.1016/j.encep.2016.03.018. ПМИД 27616580.
^ Сапоне А, Бай Дж.К., Чаччи С., Долинсек Дж., Грин П.Х., Хадживассилиу М., Каукинен К., Ростами К., Сандерс Д.С., Шуман М., Ульрих Р., Виллалта Д., Вольта У., Катасси С., Фазано А. (2012). «Спектр расстройств, связанных с глютеном: консенсус по новой номенклатуре и классификации». BMC Medicine (обзор). 10:13 . дои : 10.1186/1741-7015-10-13 . ПМЦ 3292448 . ПМИД 22313950.
^ abc Хадживасилиу М, Сандерс Д.Д., Эшлиманн Д.П. (2015). «Расстройства, связанные с глютеном: атаксия глютена». Диг Дис (обзор). 33 (2): 264–8. дои : 10.1159/000369509. PMID 25925933. S2CID 207673823.
^ Стуки Д.М., Рюгсеггер С., Штайнер С., Радеке Дж., Мерфи MP, Зубер Б., Саксена С. (август 2016 г.). «Митохондриальные нарушения способствуют прогрессированию спиноцеребеллярной атаксии 1 типа и могут быть улучшены с помощью митохондриально-направленного антиоксиданта MitoQ» (PDF) . Свободный Радик. Биол. Мед . 97 : 427–440. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2016.07.005 . ПМИД 27394174.
^ Ссылки см. в обширных ссылках и библиографии в статье об абиотрофии мозжечка , ссылка на которую приведена в начале этого абзаца.
^ Маврудис, Айова; Фотиу, DF; Адипепе, LF; Манани, МГ; Нджау, SD; Псарулис, Д; Коста, В.Г.; Балояннис, SJ (ноябрь 2010 г.). «Морфологические изменения клеток Пуркинье человека и отложение нейритных бляшек и нейрофибриллярных клубков в коре мозжечка при болезни Альцгеймера». Американский журнал болезни Альцгеймера и других деменций . 25 (7): 585–91. дои : 10.1177/1533317510382892. PMID 20870670. S2CID 30688657.
↑ Фекаду, Маконнен (27 марта 2009 г.). «Бешенственный энцефалит, тельца Негри в цитоплазме нейронов клеток Пуркинье мозжечка». CDC/Frontal Cortex Inc. Проверено 21 июня 2013 г.Примечание: не рецензировано.
дальнейшее чтение
Ллинас Р., Хесс Р. (июль 1976 г.). «Устойчивые к тетродотоксину дендритные шипы в птичьих клетках Пуркинье». Учеб. Натл. акад. наук. США . 73 (7): 2520–3. Бибкод : 1976PNAS...73.2520L. дои : 10.1073/pnas.73.7.2520 . ПМК 430632 . ПМИД 1065905.
Ллинас Р., Сугимори М. (август 1980 г.). «Электрофизиологические свойства сомат клеток Пуркинье in vitro в срезах мозжечка млекопитающих». Дж. Физиол . 305 : 171–95. doi : 10.1113/jphysical.1980.sp013357. ПМЦ 1282966 . ПМИД 7441552.
Ллинас Р.Р., Сугимори М., Черксей Б. (1989). «Потенциал-зависимая кальциевая проводимость в нейронах млекопитающих. P-канал». Анна. Н-Й акад. Наука . 560 (1 Кальций Чанн): 103–11. doi :10.1111/j.1749-6632.1989.tb24084.x. PMID 2545128. S2CID 84107834.
Форрест, Майкл (октябрь 2014 г.). Биофизика и расчеты нейрона Пуркинье мозжечка . CreateSpace. ISBN 978-1502454546.