Дендритный шип (или шипик ) — это небольшой мембранный выступ из дендрита нейрона , который обычно получает вход от одного аксона в синапсе . Дендритные шипики служат местом хранения синаптической силы и помогают передавать электрические сигналы к телу клетки нейрона. Большинство шипиков имеют луковичную головку (головку шипика) и тонкую шейку, которая соединяет головку шипика со стержнем дендрита. Дендриты одного нейрона могут содержать сотни или тысячи шипиков. Помимо того, что шипики обеспечивают 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 в активности нейронов оказывают положительное влияние на морфологию шипиков. [2]
Дендритные шипики небольшие, с объемом головки шипика от 0,01 мкм 3 до 0,8 мкм 3 . Шипики с сильными синаптическими контактами обычно имеют большую головку шипика, которая соединяется с дендритом через мембранную шейку. Наиболее заметные классы формы шипика - «тонкий», «коротенький», «грибовидный» и «раздвоенный». Исследования с помощью электронной микроскопии показали, что между этими категориями существует континуум форм. [3] Считается, что переменная форма и объем шипика коррелируют с силой и зрелостью каждого шипикового синапса.
Дендритные шипики обычно получают возбуждающий сигнал от аксонов, хотя иногда как ингибирующие, так и возбуждающие связи устанавливаются на одной и той же головке шипика. [4] Близость возбуждающего аксона к дендритным шипикам недостаточна для прогнозирования наличия синапса, как продемонстрировала лаборатория Лихтмана в 2015 году. [5]
Шипики находятся на дендритах большинства основных нейронов мозга, включая пирамидальные нейроны неокортекса , средние шипиковые нейроны полосатого тела и клетки Пуркинье мозжечка . Дендритные шипики встречаются с плотностью до 5 шипиков/1 мкм дендрита. Гиппокампальные и корковые пирамидальные нейроны могут получать десятки тысяч в основном возбуждающих входов от других нейронов на свои столь же многочисленные шипики, тогда как количество шипиков на дендритах нейронов Пуркинье на порядок больше.
Цитоскелет дендритных шипиков особенно важен в их синаптической пластичности ; без динамического цитоскелета шипики не смогли бы быстро менять свои объемы или формы в ответ на стимулы. Эти изменения формы могут повлиять на электрические свойства шипика. Цитоскелет дендритных шипиков в основном состоит из нитевидного актина ( F-актин ). Присутствуют мономеры тубулина и белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP), а также присутствуют организованные микротрубочки . [6] Поскольку шипики имеют цитоскелет, состоящий в основном из актина, это позволяет им быть высокодинамичными по форме и размеру. Актиновый цитоскелет напрямую определяет морфологию шипика, а регуляторы актина, малые ГТФазы, такие как Rac , RhoA и CDC42 , быстро изменяют этот цитоскелет. Сверхактивный Rac1 приводит к последовательно меньшим дендритным шипикам.
В дополнение к своей электрофизиологической активности и опосредованной рецепторами активности, шипики, по-видимому, везикулярно активны и даже могут транслировать белки . Сложенные стопкой диски гладкого эндоплазматического ретикулума (SER) были идентифицированы в дендритных шипиках. Формирование этого « аппарата шипиков » зависит от белка синаптоподина и, как полагают, играет важную роль в обработке кальция. «Гладкие» везикулы также были идентифицированы в шипиках, поддерживая везикулярную активность в дендритных шипиках. Наличие полирибосом в шипиках также предполагает трансляционную активность белков в самом шипике, а не только в дендрите.
Морфогенез дендритных шипиков имеет решающее значение для индукции долговременной потенциации (LTP). [7] [8] Морфология шипика зависит от состояний актина , либо в глобулярной (G-актин), либо в нитевидной (F-актин) формах. Роль семейства Rho ГТФаз и его эффекты в стабильности актина и подвижности шипиков [9] имеют важные последствия для памяти. Если дендритный шипик является основной единицей хранения информации, то способность шипика спонтанно удлиняться и втягиваться должна быть ограничена. В противном случае информация может быть потеряна. Семейство Rho ГТФаз вносит значительный вклад в процесс, который стимулирует полимеризацию актина, что, в свою очередь, увеличивает размер и форму шипика. [10] Большие шипики более стабильны, чем маленькие, 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 его базового актинового цитоскелета, [12] специфические механизмы регуляции актина и, следовательно, семейство Rho ГТФаз являются неотъемлемой частью формирования, созревания и пластичности дендритных шипиков, а также обучения и памяти.
Одной из основных Rho GTPases, участвующих в морфогенезе позвоночника, является RhoA , белок, который также модулирует регуляцию и время деления клеток. В контексте активности в нейронах RhoA активируется следующим образом: как только кальций попадает в клетку через рецепторы NMDA , 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 актиновые сегменты и, таким образом, ингибирует рост конусов роста и восстановление аксонов. [13]
Исследование, проведенное Муракоши и соавторами в 2011 году, выявило причастность Rho GTPases RhoA и Cdc42 к морфогенезу дендритных шипиков. Обе GTPases быстро активировались в отдельных дендритных шипиках пирамидальных нейронов в области CA1 гиппокампа крысы во время структурной пластичности, вызванной долгосрочными стимулами потенциации. Одновременная активация RhoA и Cdc42 привела к временному увеличению роста шипиков до 300% в течение пяти минут, который затем сошел на меньший, но устойчивый рост в течение тридцати минут. [10] Активация RhoA распространилась вокруг стимулируемого шипика, и было установлено, что RhoA необходима для временной фазы и, скорее всего, также для устойчивой фазы роста шипиков.
Cdc42 участвует во многих различных функциях, включая рост дендритов, ветвление и стабильность ветвей. [14] Приток кальция в клетку через рецепторы NMDA связывается с кальмодулином и активирует Ca2+/кальмодулин-зависимые протеинкиназы II (CaMKII). В свою очередь, активируется CaMKII, и это активирует Cdc42, после чего не происходит обратной связи вверх по течению к кальцию и CaMKII. Если пометить мономерно-усиленным зеленым флуоресцентным белком, можно увидеть, что активация Cdc42 ограничивается только стимулированным шипиком дендрита. Это происходит потому, что молекула непрерывно активируется во время пластичности и немедленно инактивируется после диффузии из шипика. Несмотря на свою компартментализированную активность, Cdc42 все еще мобилен из стимулированного шипика, как и RhoA. Cdc42 активирует PAK, которая является протеинкиназой, которая специфически фосфорилирует и, следовательно, инактивирует ADF/кофилин. [15] Инактивация кофилина приводит к увеличению полимеризации актина и расширению объема позвоночника. Активация Cdc42 необходима для поддержания этого увеличения объема позвоночника.
Муракоши, Ван и Ясуда (2011) исследовали влияние активации Rho GTPase на структурную пластичность отдельных дендритных шипиков, выявляя различия между переходной и устойчивой фазами. [10]
Применение низкочастотной последовательности двухфотонного освобождения глутамата в одном дендритном шипике может вызвать быструю активацию как RhoA, так и Cdc42. В течение следующих двух минут объем стимулированного шипика может расшириться до 300 процентов от его первоначального размера. Однако это изменение морфологии шипика является лишь временным; объем шипика уменьшается через пять минут. Введение трансферазы C3, ингибитора Rho, или глицил-H1152, ингибитора Rock, ингибирует временное расширение шипика, указывая на то, что активация пути Rho-Rock необходима в некотором роде для этого процесса. [10]
После того, как произошли описанные выше временные изменения, объем позвоночника уменьшается до тех пор, пока не увеличится на 70–80 процентов от исходного объема. Это устойчивое изменение структурной пластичности продлится около тридцати минут. И снова введение трансферазы C3 и Glycyl-H1152 подавило этот рост, что говорит о том, что путь Rho-Rock необходим для более устойчивого увеличения объема позвоночника. Кроме того, введение домена связывания Cdc42 Wasp или ингибитора, нацеленного на активацию Pak1-3 (IPA3), уменьшает этот устойчивый рост объема, что показывает, что путь Cdc42-Pak также необходим для этого роста объема позвоночника. Это важно, поскольку устойчивые изменения структурной пластичности могут обеспечить механизм для кодирования, поддержания и извлечения воспоминаний. Сделанные наблюдения могут указывать на то, что Rho ГТФазы необходимы для этих процессов. [10]
Дендритные шипики экспрессируют глутаматные рецепторы (например, рецептор AMPA и рецептор NMDA ) на своей поверхности. Рецептор TrkB для BDNF также экспрессируется на поверхности шипика и, как полагают, играет роль в выживании шипика. Кончик шипика содержит электронно-плотную область, называемую « постсинаптической плотностью » (PSD). PSD непосредственно примыкает к активной зоне своего синаптического аксона и составляет ~10% площади поверхности мембраны шипика; нейротрансмиттеры, высвобождаемые из активной зоны, связывают рецепторы в постсинаптической плотности шипика. Половина синаптических аксонов и дендритных шипиков физически связаны кальций -зависимым кадгерином , который образует межклеточные адгезивные соединения между двумя нейронами.
Рецепторы глутамата (GluR) локализуются в постсинаптической плотности и закреплены цитоскелетными элементами на мембране. Они располагаются непосредственно над своим сигнальным аппаратом, который обычно привязан к нижней стороне плазматической мембраны, что позволяет сигналам, передаваемым GluR в цитозоль, далее распространяться их близлежащими сигнальными элементами для активации каскадов передачи сигнала . Локализация сигнальных элементов в их GluR особенно важна для обеспечения активации каскада сигнала, поскольку GluR не смогли бы повлиять на определенные нисходящие эффекты без близлежащих сигнализаторов.
Сигнализация от GluR опосредована наличием большого количества белков, особенно киназ, которые локализуются 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 вещества, такие как CaMKII, активируются в ответ на активность.
Шипы особенно полезны для нейронов, поскольку они компартментализируют биохимические сигналы. Это может помочь кодировать изменения в состоянии отдельного синапса, не обязательно влияя на состояние других синапсов того же нейрона. Длина и ширина шейки шипа оказывают большое влияние на степень компартментализации, причем тонкие шипы являются наиболее биохимически изолированными шипами.
Дендритные шипики очень «пластичны», то есть шипики значительно меняют форму, объем и количество за небольшие промежутки времени. Поскольку шипики имеют в основном актиновый цитоскелет , они динамичны, и большинство шипиков меняют свою форму в течение секунд или минут из-за динамичности ремоделирования актина . Кроме того, количество шипиков очень изменчиво, и шипики появляются и исчезают; в течение нескольких часов 10-20% шипиков могут спонтанно появляться или исчезать на пирамидальных клетках коры головного мозга, хотя более крупные шипики в форме «гриба» являются наиболее стабильными.
Поддержание и пластичность шипиков зависят от активности [16] и не зависят от активности. BDNF частично определяет уровни шипиков [17] , а низкие уровни активности рецепторов AMPA необходимы для поддержания выживания шипиков, а синаптическая активность, включающая рецепторы NMDA, стимулирует рост шипиков. Кроме того, двухфотонная лазерная сканирующая микроскопия и конфокальная микроскопия показали, что объем шипиков изменяется в зависимости от типов стимулов, которые предъявляются синапсу.
Пластичность позвоночника участвует в мотивации , обучении и памяти . [18] [19] [20] В частности, долговременная память частично опосредована ростом новых дендритных шипиков (или увеличением уже существующих шипиков) для укрепления определенного нейронного пути. Поскольку дендритные шипики являются пластичными структурами, продолжительность жизни которых зависит от входной активности, [21] динамика позвоночника может играть важную роль в поддержании памяти в течение жизни.
Возрастные изменения в скорости оборота шипиков предполагают, что стабильность шипиков влияет на развивающееся обучение. В молодости оборот дендритных шипиков относительно высок и приводит к чистой потере шипиков. [1] [22] [23] Эта высокая скорость оборота шипиков может характеризовать критические периоды развития и отражать способность к обучению в подростковом возрасте — различные области коры демонстрируют разные уровни синаптического оборота во время развития, возможно, отражая различные критические периоды для определенных областей мозга. [19] [22] Однако во взрослом возрасте большинство шипиков остаются постоянными, а период полураспада шипиков увеличивается. [1] Эта стабилизация происходит из-за регулируемого развитием замедления элиминации шипиков, процесса, который может лежать в основе стабилизации воспоминаний в зрелом возрасте. [1] [22]
Изменения стабильности дендритных шипиков, вызванные опытом, также указывают на оборот шипиков как на механизм, участвующий в поддержании долговременных воспоминаний, хотя неясно, как сенсорный опыт влияет на нейронную сеть. Две общие модели могут описывать влияние опыта на структурную пластичность. С одной стороны, опыт и активность могут управлять дискретным формированием соответствующих синаптических связей, которые хранят значимую информацию для обеспечения обучения. С другой стороны, синаптические связи могут формироваться в избытке, а опыт и активность могут приводить к обрезке посторонних синаптических связей. [1]
У лабораторных животных всех возрастов обогащение среды было связано с дендритным ветвлением, плотностью шипиков и общим числом синапсов. [1] Кроме того, было показано, что тренировка навыков приводит к формированию и стабилизации новых шипиков при дестабилизации старых шипиков, [18] [24] предполагая, что обучение новому навыку включает в себя процесс перестройки нейронных цепей. Поскольку степень ремоделирования шипиков коррелирует с успешностью 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]
Наоборот, в то время как обогащение и обучение связаны с увеличением формирования и стабильности позвоночника, долгосрочная сенсорная депривация приводит к увеличению скорости устранения позвоночника [1] [22] и, следовательно, влияет на долгосрочную нейронную сеть. При восстановлении сенсорного опыта после депривации в подростковом возрасте устранение позвоночника ускоряется, что предполагает, что опыт играет важную роль в общей потере позвоночника во время развития. [22] Кроме того, было показано, что другие парадигмы сенсорной депривации, такие как обрезка усов, увеличивают стабильность новых позвоночников. [25]
Исследования неврологических заболеваний и травм проливают дополнительный свет на природу и важность оборота позвоночника. После инсульта вблизи места травмы происходит заметное увеличение структурной пластичности, и было отмечено пяти-восьмикратное увеличение контрольных показателей оборота позвоночника. [26] Дендриты быстро распадаются и собираются заново во время ишемии — как и при инсульте, у выживших наблюдалось увеличение оборота дендритных шипиков. [27] В то время как при болезни Альцгеймера и в случаях умственной отсталости наблюдается чистая потеря шипиков , употребление кокаина и амфетамина было связано с увеличением дендритного ветвления и плотности шипиков в префронтальной коре и прилежащем ядре . [28] Поскольку значительные изменения плотности шипиков происходят при различных заболеваниях головного и спинного мозга, это предполагает сбалансированное состояние динамики позвоночника в нормальных обстоятельствах, которое может быть подвержено дисбалансу при различных патологических состояниях. [28] [29]
Также имеются некоторые доказательства потери дендритных шипиков в результате старения. В одном исследовании с использованием мышей была отмечена корреляция между возрастным снижением плотности шипиков в гиппокампе и возрастным снижением гиппокампального обучения и памяти. [30] Новые доказательства также показали аномалии дендритных шипиков в областях обработки боли ноцицептивной системы спинного мозга, включая поверхностные и промежуточные зоны заднего рога. [31] [29] [32] [33]
В целом, данные свидетельствуют о том, что дендритные шипики имеют решающее значение для нормальной работы головного и спинного мозга. Изменения в морфологии шипиков могут не только влиять на синаптическую пластичность и обработку информации, но и играть ключевую роль во многих неврологических заболеваниях. Более того, даже незначительные изменения в плотности или размерах дендритных шипиков могут влиять на свойства нейронной сети, [34] что может привести к когнитивным или эмоциональным изменениям, ухудшению 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 нейронной пластичности и улучшения неврологических симптомов.
Несмотря на экспериментальные данные, которые предполагают роль динамики дендритных шипиков в посредничестве обучения и памяти, степень важности структурной пластичности остается спорной. Например, исследования показывают, что только небольшая часть шипиков, сформированных во время обучения, фактически способствует непрерывному обучению. [24] Кроме того, образование новых шипиков может не вносить существенного вклада в связность мозга, а формирование шипиков может не оказывать такого большого влияния на сохранение памяти, как другие свойства структурной пластичности, такие как увеличение размера головок шипиков. [35]
Теоретики десятилетиями выдвигали гипотезы о потенциальной электрической функции шипиков, однако наша неспособность исследовать их электрические свойства до недавнего времени не позволяла теоретическим работам продвигаться слишком далеко. Недавние достижения в области методов визуализации наряду с возросшим использованием двухфотонного освобождения глутамата привели к множеству новых открытий; теперь мы подозреваем, что в головках шипиков есть зависящие от напряжения натриевые, [36] калиевые [37] и кальциевые [38] каналы. [39]
Теория кабеля обеспечивает теоретическую основу для самого «простого» метода моделирования потока электрических токов по пассивным нервным волокнам. Каждый позвоночник можно рассматривать как два отсека, один из которых представляет шею, а другой — головку позвоночника. Только отсек, представляющий головку позвоночника, должен нести активные свойства.
Для облегчения анализа взаимодействий между многими шипиками Бэр и Ринцель сформулировали новую теорию кабеля, в которой распределение шипиков рассматривается как континуум. [40] В этом представлении напряжение головки шипика является локальным пространственным средним мембранного потенциала в соседних шипиках. Формулировка сохраняет особенность, что нет прямой электрической связи между соседними шипиками; распространение напряжения вдоль дендритов является единственным способом взаимодействия шипиков.
Модель SDS была задумана как вычислительно простая версия полной модели Бэра и Ринцеля. [41] Она была разработана так, чтобы быть аналитически трактуемой и иметь как можно меньше свободных параметров, сохраняя при этом наиболее значимые, такие как сопротивление шейки позвоночника. Модель отказывается от приближения континуума и вместо этого использует пассивный дендрит, соединенный с возбудимыми шипиками в дискретных точках. Динамика мембраны в шипиках моделируется с использованием процессов интеграции и запуска. События спайков моделируются дискретным образом с формой волны, традиционно представленной в виде прямоугольной функции.
Кальциевые переходы в шипиках являются ключевым триггером синаптической пластичности. [42] Рецепторы NMDA , которые имеют высокую проницаемость для кальция, проводят ионы только в том случае, если мембранный потенциал достаточно деполяризован. Количество кальция, поступающего в шипик во время синаптической активности, поэтому зависит от деполяризации головки шипика. Данные экспериментов по визуализации кальция ( двухфотонная микроскопия ) и компартментального моделирования указывают на то, что шипики с шейками высокого сопротивления испытывают более крупные кальциевые переходы во время синаптической активности. [39] [43]
Дендритные шипики могут развиваться непосредственно из дендритных стержней или из дендритных филоподий . [44] Во время синаптогенеза дендриты быстро прорастают и втягивают филоподии, небольшие мембранные выступы, лишенные мембранных органелл. Недавно было обнаружено, что белок I-BAR MIM способствует процессу инициации. [45] В течение первой недели рождения в мозге преобладают филоподии, которые в конечном итоге развивают синапсы. Однако после этой первой недели филоподии заменяются шиповатыми дендритами, а также небольшими короткими шипами, которые выступают из шиповатых дендритов. При развитии определенных филоподий в шипы филоподии привлекают пресинаптический контакт с дендритом, что стимулирует образование шипов для обработки специализированного постсинаптического контакта с пресинаптическими выступами.
Однако шипы требуют созревания после формирования. Незрелые шипы имеют ослабленные сигнальные возможности и, как правило, не имеют «голов» (или имеют очень маленькие головки), только шейки, в то время как зрелые шипы сохраняют и головки, и шейки.
Новые исследования указывают на аномалии плотности позвоночника при тревожных расстройствах. [4]
Когнитивные расстройства, такие как СДВГ , болезнь Альцгеймера , аутизм , умственная отсталость и синдром ломкой Х-хромосомы , могут быть результатом аномалий в дендритных шипиках, особенно в количестве шипиков и их зрелости. [46] [47] Соотношение зрелых и незрелых шипиков важно для их сигнализации, поскольку незрелые шипики имеют нарушенную синаптическую сигнализацию. Синдром ломкой Х-хромосомы характеризуется переизбытком незрелых шипиков, которые имеют множественные филоподии в корковых дендритах.
Дендритные шипики были впервые описаны в конце 19-го века Сантьяго Рамон-и-Кахалем на нейронах мозжечка. [48] Затем Рамон-и-Кахаль предположил, что дендритные шипики могут служить контактными площадками между нейронами. Это было продемонстрировано более 50 лет спустя благодаря появлению электронной микроскопии. [49] До развития конфокальной микроскопии на живых тканях считалось общепринятым, что шипики формируются во время эмбрионального развития, а 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 шипики действительно являются подвижными и динамичными структурами, которые подвергаются постоянному обороту, даже после рождения. [50] [51] [44]