Чашечка Хельда — это особенно крупный синапс в слуховой центральной нервной системе млекопитающих , названный так в честь Ганса Хельда, который впервые описал его в своей статье 1893 года Die Centrale Gehörleitung [1] [2] из-за его сходства с чашечкой цветка. [3] Глобулярные кустистые клетки в передне-вентральном ядре улитки (AVCN) [4] посылают аксоны в контралатеральное медиальное ядро трапециевидного тела (MNTB), где они образуют синапсы через эти чашечки на главных клетках MNTB. [5] [6] [7] Эти основные клетки затем проецируются на ипсилатеральную латеральную верхнюю оливу (LSO) , [8] где они ингибируют постсинаптические нейроны и обеспечивают основу для обнаружения интераурального уровня (ILD), необходимого для локализации высокочастотного звука. . [9] Этот синапс считается самым большим в мозге. [10]
Соответствующая концевая луковица Хелда также представляет собой меньший по размеру синапс на конце большого аксона (15–30 мкм в диаметре), обнаруженный в других слуховых структурах ствола мозга, а именно в ядре улитки. [11] Как и чашечки, эти синапсы способствуют быстрой и эффективной передаче информации.
Чашечка Хелда удерживает на пресинаптическом терминале пузырьки, содержащие глутамат , пузырьки высвобождаются при стимуляции (берущей начало в слуховой системе). Затем глутамат связывается с двумя известными рецепторами глутамата: AMPA- и NMDA-рецепторами . [12]
Чашечка Хелда, обычно используемая в исследованиях из-за своего большого размера, использовалась для понимания различных механизмов, связанных с развитием и высвобождением пузырьков из синапса.
Чашечка Хелда — часть слуховой системы , соединяющая шаровидные кустистые клетки (ГБК) передне-вентрального ядра улитки с главными нейронами медиального ядра трапециевидного тела (МНТБ). Функция чашечки Хелда как синапса заключается в передаче сигнала от GBC к основным нейронам. Основные нейроны MNTB являются глицинергическими, что приводит к гиперполяризации ядер верхнего оливкового комплекса (SOC) в близлежащих клетках и вызывает тонотопические ингибирующие эффекты. [12] В результате своей роли в стимуляции основных нейронов, основная функция чашечки Хелда состоит в том, чтобы обеспечить дифференциацию временной активации волосковых клеток улитки, которые важны для локализации звука (обнаружение интераурального уровня). [13]
Обнаружение интераурального уровня возможно через систему чашечек из-за большого относительного размера GBC, чашечки Хелда и основных нейронов. Нейроны боковой верхней оливы особенно важны для выявления этих изменений на межушном уровне. Большой размер аксонов кустистых клеток позволяет тормозному сигналу, вырабатываемому нейронами MNTB, достигать SOC примерно через 0,2 мс после первоначального возбуждения улитки . Это измерение времени ~0,2 миллисекунды важно для сравнения контралатеральной (противоположной стороны) и ипсилатеральной (той же стороны) стимуляции, необходимой для локализации звука в горизонтальной плоскости, и является ключевым моментом в различении местоположения низкочастотных звуков. [12]
У каждого главного нейрона есть одна чашечка, а у большинства аксонов GBC есть только одна чашечка, хотя из этой пары есть исключения. [1] В целом это создает соотношение один к одному между GBC, чашечками Хелда и основными нейронами. Чашечка Хелда включает в себя главный нейрон с четкой морфологией: ветвление чашечки позволяет создавать сети второго и третьего порядка. Каждая ветвь устанавливает связь с основным нейроном, образуя большое количество активных зон. Это необычно для синаптических терминалей головного мозга, поскольку большинство из них создают единую активную зону. [14] Каждая чашечка содержит от 300 до 700 активных зон, и в каждой из активных зон находится около 100 глутаматсодержащих везикул с примерно 3 пристыкованными везикулами одновременно. Эти везикулы большие, что согласуется с данными о квантовом размере в других синапсах взрослых. Также присутствуют везикулы с плотным ядром, обычно содержащие нейропептиды , но необходимы дальнейшие исследования для определения их содержания и функции. [15]
Для поддержания структуры синапса, как и других синапсов, имеется множество микротрубочек . Чашечка имеет большое количество микротрубочек у основания окончания. Эти микротрубочки выполняют множество функций, таких как обеспечение стабильности синапса, ограничение распространения синаптических везикул и локализация митохондрий . Митохондрии выполняют три важные функции на синаптическом терминале: позволяют синапсу удовлетворять метаболические потребности (особенно для удаления кальция после деполяризации ), буферизуют кальций, обеспечивая его поглощение митохондриями, и обеспечивают энергию для синтеза глутамата. [12]
С чашечкой Хелда также связаны различные глиальные клетки . Чашечку окружают два типа глиальных клеток: астроциты и глиальные клетки NG 2 . Астроциты экспрессируют транспортеры глутамата для удаления глутамата из синапса. Это единственный известный механизм удаления глутамата из синапса. Глиальные клетки NG -2 экспрессируют АМРА-рецепторы. [12]
На второй день постнатального периода (P2) формируется незрелая крысиная чашечка Хелда, которую легко отличить по характерной морфологии запечатанной ложки . [12] Первичные синаптические контакты, образующие чашечку, собираются между нейронами MNTB (медиального ядра трапециевидного тела) и VCN (вентрального улиткового нерва), в конечном итоге соединяясь друг с другом, проецируясь через среднюю линию двух областей. Эти ассоциации начинают проявляться сразу после генерации нейронов VCN; наиболее раннее формирование этих контактов можно наблюдать примерно на 17-й эмбриональный день (Е17). Эти нейрональные связи, составляющие важную область улитки, образуют друг с другом ветви, оканчивающиеся в чашечке Хелда. В течение следующих двух-трех недель нейрональные контакты, которые сначала сформировали эмбриональную чашечку, изменяют форму и функцию, достигая кульминации в зрелой чашечке, которая способствует последовательному и быстрому распространению сигналов в области MNTB-VCN. [14]
Некоторые избранные процессы происходят во время раннего развития нейронов, чтобы гарантировать правильное формирование чашечек, в частности, за счет влияния фибробластического фактора роста (FGF), транскрипционного фактора Math5, молекулы распознавания нервных клеток NB-2 и белков эфрина (Eph) в клетках. Math1/Math5 и FGF — два регулятора, необходимые для соответствующего роста и развития комплекса ядра улитки , который включает как вентральное ядро улитки (VCN), так и дорсальное ядро улитки (DCN). Достаточные уровни FGF обеспечивают правильную морфологию ядер улитки, а Math5 обеспечивает правильный размер и обработку ядра улитки. Math1, другой транскрипционный фактор, необходим для появления нейронов VCN в экстрамуральном потоке улитки, а также нейронов верхнего оливкового комплекса . NB-2 также способствует формированию чашечки Хелда, а также способствует поддержанию контралатерального MNTB. Совместное воздействие этих трех молекул друг на друга иллюстрирует тот факт, что существует множество семейств белков, участвующих в правильной передаче сигналов и формировании чашечки. [14]
Кроме того, белки Eph являются неотъемлемой частью дальнейшего развития системы слухового контура после первоначального формирования эмбриональной чашечки. Одной из характеристик, которая отличает белки Eph и их рецепторы от других сигнальных систем, является их способность передавать информацию в двух направлениях. Прямая и обратная передача сигналов в клетках VCN и MNTB важна для правильного количества и формирования VCN и ипсилатеральных проекций MNTB в чашечке. Белки Eph также гарантируют, что, хотя аксоны проходят через ипсилатеральный MNTB, ветвление и окончательное терминирование этих отростков происходят только в контралатеральном MNTB, возможно, потому, что белки нацелены только на определенные области аксонов. [14]
В целом в чашечке Хелда происходят два ультраструктурных изменения. Во-первых, на второй неделе развития увеличивается миелинизация аксонов VCN в MNTB. Этот заметный рост миелина соответствует хронологическому развитию сигнальной цепи и адаптации чашечки. Второе ультраструктурное изменение затрагивает основные нейроны MNTB, тела и ядра которых увеличивают площадь поверхности за счет увеличения. Это прямой результат распада отдельных более крупных постсинаптических плотностей на более мелкие и множественные плотности. [14]
Калиевые каналы жизненно важны для проведения пресинаптического потенциала действия . Чашечка содержит несколько типов калиевых каналов, каждый из которых различается расположением и чувствительностью. В пресинаптических нейронах присутствуют как низкопороговые К + -каналы, так и высокопороговые К + -каналы замедленного выпрямительного типа . [15] Присутствуют четыре низкопороговых канала K + : Kv 1.1, Kv 1.2 , Kv 1.3 и Kv 7.5 . К v 1,1 и K v 1,2 расположены в переходной зоне между аксоном и терминалью, а K v 1,3 и K v 7,5 — в чашечке. [15] В чашечке экспрессируется активируемый кальцием калиевый канал, однако этот тип канала не способствует высвобождению нейромедиаторов . [12]
В течение одной недели мыши (от P7 до P14) показали , что плотность низкопороговых каналов Kv1 и Kv3 увеличивается, что , в свою очередь, влияет на кинетику каналов . [15]
Изменения в натриевых каналах во время созревания позволяют увеличить скорость пресинаптического потенциала действия. Здесь потенциалы действия становятся быстрее из-за способности натриевых каналов быстрее восстанавливаться после проводимости . Данные показывают, что экспрессия в альфа-субъединице Na V 1.6 , определенного типа натриевых каналов, отвечает за повышенную скорость передачи. Известно, что Na V 1.2 , еще один натриевый канал, экспрессируемый в аксонах и узлах, демонстрирует более медленную кинетику. [14]
Чтобы компенсировать миелинизацию (повышенную емкость ), ведущую к чашечке, в последнем узле (область между миелиновой оболочкой) перед окончанием аксона содержится высокая плотность каналов Na + , чтобы обеспечить большой приток (внутри поток) натрия, вызывая открытие потенциалзависимых кальциевых каналов в пресинаптическом терминале, вызывая приток кальция.
В незрелых чашечках Хелда ионы кальция (Ca 2+ ) проникают в нейроны MNTB через Ca 2+ каналы N- , P/Q- и R-типа , однако в зрелых чашечках приток Ca 2+ происходит преимущественно через P/Q- тип каналов. [14] Рецепторы Ca 2+ N- и R-типа менее склонны запускать высвобождение везикул, поскольку эти типы рецепторов находятся дальше от мест высвобождения. Следовательно, ионы кальция, попадающие в каналы N- и R-типа, увеличивают концентрацию ионов кальция в областях, менее важных для функции чашечки.
Блокировка Ca 2+ -каналов может происходить за счет использования рецепторов, связанных с G-белком , активируемых следующими нейротрансмиттерами: [12]
В ионных каналах происходят изменения, способствующие более быстрой передаче: [12]
Помимо глутаматного рецептора, в незрелых чашечках Хелда обнаружено лишь несколько других лиганд-управляемых каналов : ионотропный ГАМК А и глициновый рецептор . Эти рецепторы позволяют хлориду (Cl- ) проходить через мембрану, и из-за высокой концентрации хлорида в конце эти рецепторы деполяризуются. [12]
Между второй и третьей неделями постнатального периода, примерно в момент начала слуха, чашечка Хелда приобретает характерный, сильно окончатый (много отверстий) вид. [14] Фенестрация приводит к тому, что мембрана сокращается до множества мелких отсеков, что увеличивает соотношение поверхности к объему чашечки Хелда. По мере того, как мембрана все больше сжимается в этих луковицеобразных структурах, синаптические везикулы группируются в этих пространствах, что приводит к увеличению количества состыкованных везикул. [12]
Чтобы компенсировать имеющиеся места в чашечке, глиальные клетки с глутаматными рецепторами и транспортами заполняют открытые пространства, обеспечивая эффективное поглощение глутамата в синапсе.
Как синапс, чашечка Хелда действует по механизму, аналогичному другим синапсам. Подробное описание можно найти в разделе нейротрансмиссия .
Приток кальция в незрелую чашечку Хелда опосредован кальциевыми каналами N- , P / Q- и R-типа ; однако при созревании доминируют только кальциевые каналы P/Q-типа. [14] При притоке кальция незрелая чашечка Хелда очень реактивна из-за своей небольшой буферной способности к кальцию – это вызывает высвобождение глутамата даже при низких уровнях притока кальция. Внутри терминала, как и в других синапсах, два иона кальция связываются с синаптотагмином , чтобы вызвать высвобождение везикул - в чашечках Хелда в везикулах высвобождается глутамат. Помимо высвобождения везикул, ионы кальция сигнализируют окончанию чашечки о возвращении в неактивное состояние. При притоке кальция белок, связывающий элемент ответа цАМФ (CREB), фосфорилируется , изменяя концентрацию калия внутри клетки, возвращая терминал в неактивное состояние. [14] Удаление кальция осуществляется различными методами, в том числе: удалением из терминаля, попаданием в митохондрии или связыванием с кальцийсвязывающими белками, такими как парвальбумин и кальретинин . [12]
Ретроградная передача сигналов необходима в чашечке Хелда для регулирования уровней кальция в пресинаптическом терминале. Активация метаботропных рецепторов глутамата (mGluRs) активирует вторичный мессенджер G-белка, который взаимодействует с кальциевыми каналами P/Q-типа, снижая проводимость. Кроме того, размер пула везикул увеличивается, а вероятность высвобождения снижается. Другие методы пресинаптического торможения включают норадреналин, серотонин и аденозин – эти методы наблюдаются только в незрелых чашечках Хелда. [14]
Глутаматные рецепторы присутствуют на постсинаптическом терминале – эти два типа включают ионотропные АМРА- и NMDA-рецепторы . Как возбуждающий нейротрансмиттер, глутамат почти всегда вызывает запуск потенциала действия на постсинаптической стороне, чему дополнительно способствует низкий уровень внутреннего натрия в основных нейронах. [12] В зрелой чашечке рецепторы AMPA сконцентрированы на главном нейроне, чтобы локализовать передачу и повысить вероятность потенциала действия. Также обратите внимание, что вклад глутаматных рецепторов NMDA-типа снижается после появления слуха. [12]
Механизм эндоцитоза синаптических пузырьков меняется по мере того, как чашечка становится более зрелой. Кальмодулин и кальциневрин в их активной форме необходимы для эндоцитоза везикул в незрелой чашечке; однако в зрелой чашечке нет необходимости ни в кальмодулине, ни в кальциневрине. Скорее, этот процесс опосредован энергией, создаваемой гидролизом GTP. [14] Для загрузки глутамата в везикулы на конце используются два белка: везикулярный транспортер 1 глутамата (VGLUT1) и VGLUT2.
Высокопороговые калиевые каналы в постсинаптической мембране обеспечивают быструю реполяризацию нейрона-мишени. Низкопороговые калиевые каналы постсинаптического нейрона снижают возбудимость нейрона, ограничивая его активацию только самыми крупными синаптическими входами. [12]
Чашечка Хелда стала популярной модельной системой в области нейробиологии. Наличие этого синапса в нервной системе млекопитающих позволило проводить прямые исследования на модели млекопитающих, а большой размер упрощает электрофизиологическую запись. По этим причинам он стал популярен в понимании выпуска передатчика.
В частности, чашечка Хелда используется по следующим причинам: [12]
