Дендритный шип (или шип ) представляет собой небольшой мембранозный выступ из дендрита нейрона , который обычно получает входные данные от одного аксона в синапсе . Дендритные шипики служат местом хранения синаптической силы и помогают передавать электрические сигналы к телу нейрона. Большинство шипов имеют выпуклую головку (головку шипа) и тонкую шейку, которая соединяет головку шипа со стержнем дендрита. Дендриты одного нейрона могут содержать от сотен до тысяч шипов. Помимо шипов, обеспечивающих анатомический субстрат для хранения памяти и синаптической передачи, они также могут служить для увеличения количества возможных контактов между нейронами. [1] Также было высказано предположение, что изменения активности нейронов положительно влияют на морфологию позвоночника. [2]
Дендритные шипики небольшие, объем головки шипов колеблется от 0,01 мкм 3 до 0,8 мкм 3 . Шипы с сильными синаптическими контактами обычно имеют большую головку шипа, которая соединяется с дендритом через перепончатую шейку. Наиболее заметными классами формы позвоночника являются «тонкий», «короткий», «грибовидный» и «раздвоенный». Исследования электронной микроскопии показали, что между этими категориями существует континуум форм. [3] Считается, что переменная форма и объем позвоночника коррелируют с силой и зрелостью каждого синапса позвоночника.
Дендритные шипики обычно получают возбуждающую информацию от аксонов, хотя иногда на одну и ту же головку шипа устанавливаются как тормозящие, так и возбуждающие соединения. [4] Близость возбуждающего аксона к дендритным шипам недостаточна для прогнозирования наличия синапса, как продемонстрировало лаборатория Лихтмана в 2015 году. [5]
Шипы расположены на дендритах большинства основных нейронов головного мозга, включая пирамидные нейроны неокортекса , средние шипистые нейроны полосатого тела и клетки Пуркинье мозжечка . Дендритные шипы встречаются при плотности до 5 шипов на 1 мкм участка дендрита. Гиппокампальные и кортикальные пирамидные нейроны могут получать десятки тысяч преимущественно возбуждающих импульсов от других нейронов на свои столь же многочисленные шипики, тогда как число шипов на дендритах нейронов Пуркинье на порядок больше.
Цитоскелет дендритных шипиков особенно важен с точки зрения их синаптической пластичности ; без динамического цитоскелета шипы были бы неспособны быстро менять свои объемы и форму в ответ на раздражители. Эти изменения формы могут повлиять на электрические свойства позвоночника. Цитоскелет дендритных шипиков в основном состоит из нитчатого актина ( F-актина ). Тубулин Присутствуют мономеры и белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP), а также организованные микротрубочки . [6] Поскольку цитоскелет шипиков состоит в основном из актина, это позволяет им быть очень динамичными по форме и размеру. Актиновый цитоскелет непосредственно определяет морфологию позвоночника, а регуляторы актина, малые GTPases , такие как Rac , RhoA и CDC42 , быстро модифицируют этот цитоскелет. Сверхактивный Rac1 приводит к постоянному уменьшению дендритных шипов.
В дополнение к своей электрофизиологической активности и активности, опосредованной рецепторами, шипики, по-видимому, обладают везикулярной активностью и могут даже транслировать белки . В дендритных шипиках обнаружены сложенные друг на друга диски гладкой эндоплазматической сети (SER). Формирование этого « позвоночного аппарата » зависит от белка синаптоподина , который, как полагают, играет важную роль в переработке кальция. В шипиках также были обнаружены «гладкие» везикулы , поддерживающие везикулярную активность в дендритных шипиках. Присутствие полирибосом в шипиках также предполагает трансляционную активность белка в самом шипике, а не только в дендритах.
Морфогенез дендритных шипиков имеет решающее значение для индукции долгосрочной потенциации (LTP). [7] [8] Морфология позвоночника зависит от состояния актина : в глобулярной (G-актин) или нитевидной (F-актин) формах. Роль семейства ГТФаз Rho и его влияние на стабильность актина и подвижность позвоночника [9] имеют важные последствия для памяти. Если дендритный шип является основной единицей хранения информации, то способность шипа спонтанно расширяться и втягиваться должна быть ограничена. В противном случае информация может быть потеряна. Семейство ГТФаз Rho вносит значительный вклад в процесс, стимулирующий полимеризацию актина, что, в свою очередь, увеличивает размер и форму шипа. [10] Большие шипы более стабильны, чем более мелкие, и могут быть устойчивы к модификации дополнительной синаптической активностью. [11] Поскольку изменения формы и размера дендритных шипиков коррелируют с силой возбуждающих синаптических связей и в значительной степени зависят от ремоделирования лежащего в их основе актинового цитоскелета, [12] специфические механизмы регуляции актина и, следовательно, семейство Rho GTPases , являются неотъемлемой частью формирования, созревания и пластичности дендритных шипов, а также обучения и памяти.
Одной из основных Rho GTPases, участвующих в морфогенезе шипов, является RhoA , белок, который также модулирует регуляцию и время клеточного деления. В контексте активности в нейронах RhoA активируется следующим образом: как только кальций проникает в клетку через NMDA-рецепторы , он связывается с кальмодулином и активирует CaMKII , что приводит к активации RhoA. [10] Активация белка RhoA активирует ROCK, киназу RhoA, что приводит к стимуляции киназы LIM , которая, в свою очередь, ингибирует белок кофилин . Функция кофилина заключается в реорганизации актинового цитоскелета клетки; а именно, он деполимеризует сегменты актина и, таким образом, ингибирует рост конусов роста и восстановление аксонов. [13]
Исследование, проведенное Муракоши и др. в 2011 году вовлекли Rho GTPases RhoA и Cdc42 в морфогенез дендритных шипиков. Обе ГТФазы быстро активировались в одиночных дендритных шипиках пирамидных нейронов в области СА1 гиппокампа крысы во время структурной пластичности, вызванной долговременными стимулами потенциации. Одновременная активация RhoA и Cdc42 привела к временному увеличению роста позвоночника до 300% в течение пяти минут, которое затем сменилось меньшим, но устойчивым ростом в течение тридцати минут. [10] Активация RhoA распространяется вокруг позвоночника, подвергающегося стимуляции, и было установлено, что RhoA необходим для переходной фазы и, скорее всего, для устойчивой фазы, а также роста позвоночника.
Cdc42 участвует во многих различных функциях, включая рост дендритов, ветвление и стабильность ветвей. [14] Приток кальция в клетку через NMDA-рецепторы связывается с кальмодулином и активирует Ca2+/кальмодулин-зависимые протеинкиназы II (CaMKII). В свою очередь, CaMKII активируется, и это активирует Cdc42, после чего не происходит передачи сигналов обратной связи выше кальция и CaMKII. Если пометить зеленый флуоресцентный белок, усиленный мономером, можно увидеть, что активация Cdc42 ограничивается только стимулированным шипом дендрита. Это связано с тем, что молекула постоянно активируется во время пластичности и сразу же инактивируется после диффузии из позвоночника. Несмотря на свою разрозненную активность, Cdc42 все еще может перемещаться за пределы стимулированного позвоночника, как и RhoA. Cdc42 активирует PAK, протеинкиназу, которая специфически фосфорилирует и, следовательно, инактивирует ADF/кофилин. [15] Инактивация кофилина приводит к усилению полимеризации актина и увеличению объема позвоночника. Для поддержания этого увеличения объема позвоночника необходима активация Cdc42.
Муракоши, Ван и Ясуда (2011) исследовали влияние активации Rho GTPase на структурную пластичность одиночных дендритных шипиков, выяснив различия между переходной и устойчивой фазами. [10]
Применение низкочастотной последовательности двухфотонного разблокирования глутамата в одном дендритном шипе может вызвать быструю активацию как RhoA, так и Cdc42. В течение следующих двух минут объем стимулируемого позвоночника может увеличиться до 300 процентов от первоначального размера. Однако это изменение морфологии позвоночника носит временный характер; объем позвоночника уменьшается через пять минут. Введение трансферазы C3, ингибитора Rho, или глицил-H1152, ингибитора Rock, ингибирует временное расширение позвоночника, что указывает на то, что для этого процесса каким-то образом необходима активация пути Rho-Rock. [10]
После того, как происходят описанные выше временные изменения, объем позвоночника уменьшается до тех пор, пока он не увеличится на 70–80 процентов от первоначального объема. Это устойчивое изменение структурной пластичности продлится около тридцати минут. И снова введение трансферазы C3 и Glycyl-H1152 подавляло этот рост, что позволяет предположить, что путь Rho-Rock необходим для более стойкого увеличения объема позвоночника. Кроме того, введение Cdc42-связывающего домена Wasp или ингибитора, нацеленного на активацию Pak1-3 (IPA3), уменьшает этот устойчивый рост объема, демонстрируя, что путь Cdc42-Pak также необходим для этого роста объема позвоночника. Это важно, поскольку устойчивые изменения структурной пластичности могут обеспечить механизм кодирования, поддержания и восстановления воспоминаний. Сделанные наблюдения могут свидетельствовать о том, что Rho GTPases необходимы для этих процессов. [10]
Дендритные шипики экспрессируют на своей поверхности рецепторы глутамата (например, рецептор AMPA и рецептор NMDA ). Рецептор TrkB для BDNF также экспрессируется на поверхности позвоночника и, как полагают, играет роль в выживании позвоночника. Кончик позвоночника содержит электронно-плотную область, называемую « постсинаптической плотностью » (PSD). PSD непосредственно примыкает к активной зоне синаптического аксона и занимает ~ 10% площади поверхности мембраны позвоночника; нейротрансмиттеры, высвобождаемые из активной зоны, связывают рецепторы постсинаптической плотности позвоночника. Половина синапсирующих аксонов и дендритных шипов физически связана кальций -зависимым кадгерином , который образует межклеточные адгезионные соединения между двумя нейронами.
Глутаматные рецепторы (GluR) локализованы в постсинаптической плотности и прикреплены элементами цитоскелета к мембране. Они расположены непосредственно над их сигнальным аппаратом, который обычно привязан к нижней стороне плазматической мембраны, что позволяет сигналам, передаваемым GluR в цитозоль, распространяться дальше соседними сигнальными элементами для активации каскадов сигнальной трансдукции . Локализация сигнальных элементов на их GluRs особенно важна для обеспечения активации сигнального каскада, поскольку GluRs не могут влиять на определенные нижестоящие эффекты без близлежащих сигналистов.
Передача сигналов от GluRs опосредована наличием большого количества белков, особенно киназ, локализованных в постсинаптической плотности. К ним относятся кальций -зависимый кальмодулин , CaMKII (кальмодулин-зависимая протеинкиназа II), PKC (протеинкиназа C), PKA (протеинкиназа A), протеинфосфатаза-1 (PP-1) и Fyn-тирозинкиназа . Некоторые сигнальные агенты, такие как CaMKII, активируются в ответ на активность.
Шипы особенно полезны для нейронов, поскольку они разделяют биохимические сигналы. Это может помочь закодировать изменения в состоянии отдельного синапса, не обязательно затрагивая состояние других синапсов того же нейрона. Длина и ширина шейки позвоночника оказывает большое влияние на степень компартментализации, при этом тонкие шипы являются наиболее биохимически изолированными шипами.
Дендритные шипики очень «пластичны», то есть шипики существенно изменяются по форме, объему и количеству за небольшие промежутки времени. Поскольку шипики имеют преимущественно актиновый цитоскелет , они динамичны, и большинство шипиков меняют свою форму в течение секунд или минут из-за динамичности ремоделирования актина . Более того, количество шипов очень изменчиво, шипы приходят и исчезают; в течение нескольких часов на пирамидальных клетках коры головного мозга может спонтанно появиться или исчезнуть 10-20% шипиков, хотя более крупные шипики «грибовидной» формы являются наиболее стабильными.
Сохранение и пластичность позвоночника зависят от активности [16] и не зависят от нее. BDNF частично определяет уровни позвоночника [17] , а низкие уровни активности рецепторов AMPA необходимы для поддержания выживания позвоночника, а синапсическая активность с участием рецепторов NMDA способствует росту позвоночника. Кроме того, двухфотонная лазерная сканирующая микроскопия и конфокальная микроскопия показали, что объем позвоночника меняется в зависимости от типов стимулов, подаваемых в синапс.
Пластичность позвоночника влияет на мотивацию , обучение и память . [18] [19] [20] В частности, долговременная память частично опосредована ростом новых дендритных шипов (или увеличением ранее существовавших шипов) для усиления определенного нервного пути. Поскольку дендритные шипики представляют собой пластичные структуры, на продолжительность жизни которых влияет входная активность [21] , динамика шипов может играть важную роль в поддержании памяти на протяжении всей жизни.
Возрастные изменения скорости вращения позвоночника позволяют предположить, что стабильность позвоночника влияет на обучение. В молодости обновление дендритных шипов относительно велико и приводит к чистой потере шипов. [1] [22] [23] Такая высокая скорость обмена синапсов может характеризовать критические периоды развития и отражать способность к обучению в подростковом возрасте — разные области коры демонстрируют разные уровни синаптического обмена во время развития, что, возможно, отражает различные критические периоды для конкретных областей мозга. [19] [22] Однако во взрослом возрасте большинство шипов остаются постоянными, а период полураспада шипов увеличивается. [1] Эта стабилизация происходит из-за регулируемого развитием замедления выведения позвоночника - процесса, который может лежать в основе стабилизации воспоминаний в зрелом возрасте. [1] [22]
Вызванные опытом изменения в стабильности дендритных позвонков также указывают на оборот позвоночника как на механизм, участвующий в поддержании долговременной памяти, хотя неясно, как сенсорный опыт влияет на нервные схемы. Две общие модели могут описать влияние опыта на структурную пластичность. С одной стороны, опыт и активность могут стимулировать дискретное формирование соответствующих синаптических связей, которые хранят значимую информацию, необходимую для обучения. С другой стороны, синаптические связи могут образовываться в избытке, а опыт и активность могут привести к обрезанию посторонних синаптических связей. [1]
У лабораторных животных всех возрастов обогащение окружающей среды было связано с ветвлением дендритов, плотностью шипов и общим количеством синапсов. [1] Кроме того, было показано, что тренировка навыков приводит к формированию и стабилизации новых позвонков, одновременно дестабилизируя старые позвонки, [18] [24] предполагая, что изучение нового навыка включает в себя процесс перестройки нейронных цепей. Поскольку степень ремоделирования позвоночника коррелирует с успехом обучения, это предполагает решающую роль синаптической структурной пластичности в формировании памяти. [24] Кроме того, изменения в стабильности и укреплении позвоночника происходят быстро и наблюдаются в течение нескольких часов после тренировки. [18] [19]
И наоборот, хотя обогащение и тренировка связаны с улучшением формирования и стабильности позвоночника, долговременная сенсорная депривация приводит к увеличению скорости удаления позвоночника [1] [22] и, следовательно, влияет на долгосрочные нейронные цепи. При восстановлении сенсорного опыта после депривации в подростковом возрасте удаление шипов ускоряется, что позволяет предположить, что опыт играет важную роль в чистой потере шипов во время развития. [22] Кроме того, было показано, что другие парадигмы сенсорной депривации, такие как обрезка усов, повышают стабильность новых шипов. [25]
Исследования неврологических заболеваний и травм пролили дополнительный свет на природу и важность поворота позвоночника. После инсульта вблизи места травмы происходит заметное увеличение структурной пластичности, а также наблюдается пяти-восьмикратное увеличение оборота позвоночника по сравнению с контролем. [26] Дендриты быстро распадаются и собираются заново во время ишемии — как и при инсульте, у выживших наблюдалось увеличение оборота дендритов позвоночника. [27] В то время как чистая потеря шипов наблюдается при болезни Альцгеймера и случаях умственной отсталости , употребление кокаина и амфетамина было связано с увеличением дендритного ветвления и плотности шипов в префронтальной коре и прилежащем ядре . [28] Поскольку значительные изменения плотности позвоночника происходят при различных заболеваниях головного и спинного мозга, это предполагает сбалансированное состояние динамики позвоночника в нормальных обстоятельствах, которое может быть подвержено неравновесию при различных патологических состояниях. [28] [29]
Есть также некоторые свидетельства потери дендритных шипов в результате старения. Одно исследование на мышах отметило корреляцию между возрастным уменьшением плотности позвоночника в гиппокампе и возрастным снижением обучения и памяти в гиппокампе. [30] Новые данные также показали дендритные аномалии позвоночника в областях обработки боли ноцицептивной системы спинного мозга, включая поверхностные и промежуточные зоны дорсального рога. [31] [29] [32] [33]
В целом, данные свидетельствуют о том, что дендритные отростки имеют решающее значение для нормального функционирования головного и спинного мозга. Изменения в морфологии позвоночника могут не только влиять на синаптическую пластичность и обработку информации, но также играть ключевую роль во многих неврологических заболеваниях. Более того, даже незначительные изменения плотности или размеров дендритных шипов могут повлиять на свойства нейронных сетей [34] , что может привести к когнитивным изменениям или изменениям настроения, нарушениям обучения и памяти, а также к гиперчувствительности к боли. [29] Более того, результаты показывают, что поддержание здоровья позвоночника с помощью таких методов лечения, как физические упражнения, когнитивная стимуляция и изменение образа жизни, может быть полезным для сохранения пластичности нейронов и улучшения неврологических симптомов.
Несмотря на экспериментальные данные, которые предполагают роль динамики дендритных позвонков в обеспечении обучения и памяти, степень важности структурной пластичности остается спорной. Например, исследования показывают, что лишь небольшая часть позвоночника, сформированная во время тренировки, действительно способствует обучению на протяжении всей жизни. [24] Кроме того, формирование новых шипов может не оказывать существенного влияния на связность мозга, а формирование шипов может не оказывать такого большого влияния на сохранение памяти, как другие свойства структурной пластичности, такие как увеличение размера головы позвоночника. [35]
Теоретики на протяжении десятилетий выдвигали гипотезы о потенциальной электрической функции шипов, однако наша неспособность изучить их электрические свойства до недавнего времени не позволяла теоретическим работам продвинуться слишком далеко. Недавние достижения в методах визуализации, а также более широкое использование двухфотонного извлечения глутамата привели к множеству новых открытий; теперь мы подозреваем, что в головках позвоночника существуют потенциал-зависимые натриевые, [36] калиевые, [37] и кальциевые [38] каналы. [39]
Теория кабеля обеспечивает теоретическую основу для самого «простого» метода моделирования течения электрических токов по пассивным нервным волокнам. Каждый позвоночник можно рассматривать как два отдела: один представляет собой шею, другой — голову позвоночника. Отделение, представляющее собой только голову позвоночника, должно нести активные свойства.
Чтобы облегчить анализ взаимодействия между множеством шипов, Баер и Ринцель сформулировали новую теорию кабеля, в которой распределение шипов рассматривается как континуум. [40] В этом представлении напряжение головки позвоночника представляет собой локальное пространственное среднее значение мембранного потенциала в соседних шипах. В формулировке сохраняется то обстоятельство, что между соседними шипами нет прямой электрической связи; Распространение напряжения вдоль дендритов — единственный способ взаимодействия шипов.
Модель SDS задумывалась как упрощенная в вычислительном отношении версия полной модели Бэра и Ринзеля. [41] Он был разработан так, чтобы быть аналитически доступным и иметь как можно меньше свободных параметров, сохраняя при этом наиболее важные, такие как сопротивление шеи и позвоночника. Модель отказывается от приближения континуума и вместо этого использует пассивный дендрит, соединенный с возбудимыми шипами в дискретных точках. Динамика мембран в шипах моделируется с использованием процессов интеграции и огня. Пиковые события моделируются дискретным образом, при этом форма волны обычно представляется в виде прямоугольной функции.
Переходные процессы кальция в шипиках являются ключевым триггером синаптической пластичности. [42] NMDA-рецепторы , которые имеют высокую проницаемость для кальция, проводят ионы только в том случае, если мембранный потенциал достаточно деполяризован. Таким образом, количество кальция, поступающего в позвоночник во время синаптической активности, зависит от деполяризации головки позвоночника. Данные экспериментов по визуализации кальция ( двухфотонная микроскопия ) и компартментального моделирования показывают, что шипы с шейками с высоким сопротивлением испытывают более сильные переходные процессы кальция во время синаптической активности. [39] [43]
Дендритные шипы могут развиваться непосредственно из дендритных стержней или из дендритных филоподий . [44] Во время синаптогенеза дендриты быстро прорастают и втягивают филоподии, небольшие мембранные органеллы, лишенные мембранных выступов. Недавно было обнаружено, что белок I-BAR MIM способствует процессу инициации. [45] В течение первой недели рождения в мозге преобладают филоподии, которые со временем развивают синапсы. Однако по прошествии этой первой недели филоподии заменяются колючими дендритами, а также небольшими короткими шипами, выступающими из колючих дендритов. При развитии определенных филоподий в шипики филоподии рекрутируют пресинаптический контакт с дендритом, что стимулирует образование шипиков для обеспечения специализированного постсинаптического контакта с пресинаптическими выступами.
Однако шипы требуют созревания после формирования. Незрелые шипы имеют нарушенные сигнальные возможности и обычно не имеют «голов» (или имеют очень маленькие головы), а только шеи, в то время как зрелые шипы сохраняют и голову, и шею.
Новые исследования указывают на аномалии плотности позвоночника при тревожных расстройствах. [4]
Когнитивные расстройства, такие как СДВГ , болезнь Альцгеймера , аутизм , умственная отсталость и синдром хрупкой Х-хромосомы , могут быть результатом аномалий дендритных шипов, особенно количества шипов и их зрелости. [46] [47] Соотношение зрелых и незрелых шипов важно для их передачи сигналов, поскольку у незрелых шипов нарушена синаптическая передача сигналов. Синдром ломкой Х-хромосомы характеризуется избытком незрелых шипов с множественными филоподиями в кортикальных дендритах.
Дендритные шипики были впервые описаны в конце XIX века Сантьяго Рамоном-и-Кахалем на нейронах мозжечка. [48] Рамон-и-Кахал затем предположил, что дендритные шипики могут служить местами контакта между нейронами. Это было продемонстрировано более 50 лет спустя благодаря появлению электронной микроскопии. [49] До развития конфокальной микроскопии живых тканей считалось, что шипы формируются во время эмбрионального развития и затем остаются стабильными после рождения. В этой парадигме вариации синаптического веса считались достаточными для объяснения процессов памяти на клеточном уровне. Но примерно десять лет назад новые методы конфокальной микроскопии продемонстрировали, что дендритные отростки действительно являются подвижными и динамическими структурами, которые подвергаются постоянному обновлению даже после рождения. [50] [51] [44]