Название « зернистая клетка» использовалось для ряда различных типов нейронов , единственной общей чертой которых является то, что все они имеют очень маленькие клеточные тела . Зернистые клетки находятся в зернистом слое мозжечка , зубчатой извилине гиппокампа , поверхностном слое дорсального кохлеарного ядра , обонятельной луковице и коре головного мозга .
Зернистые клетки мозжечка составляют большинство нейронов в мозге человека. [1] Эти зернистые клетки получают возбуждающий вход от моховидных волокон, берущих начало 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 зернистая клетка–клетка Пуркинье на промежуточных и дистальных дендритах клеток Пуркинье, используя глутамат в качестве нейротрансмиттера .
Зернистые клетки слоя 4 коры головного мозга получают входные сигналы от таламуса и посылают проекции в супрагранулярные слои 2–3, а также в инфрагранулярные слои коры головного мозга.
Зернистые клетки в разных областях мозга функционально и анатомически разнообразны: единственное, что у них общего, — это малый размер. Например, зернистые клетки обонятельной луковицы являются ГАМКергическими и не имеют аксонов, в то время как зернистые клетки в зубчатой извилине имеют глутаматергические проекционные аксоны . Эти две популяции зернистых клеток также являются единственными основными нейронными популяциями, которые подвергаются взрослому нейрогенезу , в то время как зернистые клетки мозжечка и коры не подвергаются ему. Зернистые клетки (за исключением 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 когтем. Каждый из дендритов имеет длину всего около 15 мкм .
Сома : Все зернистые клетки имеют небольшой диаметр сомы, приблизительно 10 мкм.
Аксон : Каждая гранулярная клетка посылает один аксон в дендритное дерево клеток Пуркинье. [ необходима ссылка ] Аксон имеет чрезвычайно узкий диаметр: ½ микрометра.
Синапс : 100–300 000 аксонов гранулярных клеток образуют синапсы на одной клетке Пуркинье . [ необходима ссылка ]
Существование щелевых контактов между гранулярными клетками позволяет нескольким нейронам соединяться друг с другом, что позволяет нескольким клеткам действовать синхронно, а также обеспечивает сигнальные функции, необходимые для развития гранулярных клеток. [2]
Клетки-зерна, вырабатываемые ромбической губой , находятся в слое клеток-зерен коры мозжечка . Они маленькие и многочисленные. Они характеризуются очень маленькой сомой и несколькими короткими дендритами, которые заканчиваются окончаниями в форме когтя. В просвечивающем электронном микроскопе эти клетки характеризуются темноокрашенным ядром, окруженным тонким ободом цитоплазмы. Аксон поднимается в молекулярный слой, где он разделяется, образуя параллельные волокна . [1]
Основной тип клеток зубчатой извилины — зернистая клетка. Зернистая клетка зубчатой извилины имеет эллиптическое клеточное тело шириной около 10 мкм и высотой 18 мкм. [3]
Зернистые клетки имеют характерное конусообразное дерево шиповатых апикальных дендритов . Дендритные ветви проецируются через весь молекулярный слой, а самые дальние концы дендритного дерева заканчиваются в гиппокампальной щели или на поверхности желудочка. [4] Зернистые клетки плотно упакованы в зернистом слое зубчатой извилины.
Зернистые клетки в дорсальном кохлеарном ядре представляют собой небольшие нейроны с двумя или тремя короткими дендритами, которые дают начало нескольким ветвям с расширениями на окончаниях. Дендриты короткие с когтеобразными окончаниями, которые образуют клубочки для приема мшистых волокон , похожих на мозжечковые зернистые клетки. [5] Его аксон проецируется в молекулярный слой дорсального кохлеарного ядра, где он образует параллельные волокна, также похожие на мозжечковые зернистые клетки. [6] Дорсальные кохлеарные зернистые клетки представляют собой небольшие возбуждающие интернейроны , которые связаны с развитием и, таким образом, напоминают мозжечковую зернистую клетку.
Основная внутренняя гранулярная клетка в обонятельной луковице позвоночных не имеет аксона (как и вспомогательный нейрон). Каждая клетка дает начало коротким центральным дендритам и одному длинному апикальному дендриту, который расширяется в слой гранулярных клеток и входит в слой митральных клеток . Дендритные ветви заканчиваются внутри внешнего плексиформного слоя среди дендритов в обонятельном тракте . [7] В обонятельной луковице млекопитающих гранулярные клетки могут обрабатывать как синаптический вход, так и выход из-за наличия больших шипиков. [8]
Зернистые клетки мозжечка получают возбуждающий сигнал от 3 или 4 моховидных волокон, исходящих из ядер моста . Моховидные волокна создают возбуждающую связь с зернистыми клетками, что заставляет зернистые клетки активировать потенциал действия.
Аксон мозжечковой гранулярной клетки разделяется, образуя параллельное волокно , которое иннервирует клетки Пуркинье . Подавляющее большинство аксональных синапсов гранулярных клеток находятся 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 формируют тысячи возбуждающих синапсов гранулярная клетка-клетка Пуркинье на дендритах клеток Пуркинье.
Эта связь является возбуждающей, поскольку высвобождается глутамат .
Параллельные волокна и восходящие аксонные синапсы от одной и той же зернистой клетки срабатывают синхронно, что приводит к возбуждающим сигналам. В коре мозжечка есть множество тормозных нейронов ( интернейронов ). Единственными возбуждающими нейронами, присутствующими в коре мозжечка, являются зернистые клетки. [10]
Пластичность синапса между параллельным волокном и клеткой Пуркинье считается важной для двигательного обучения . [11] Функция мозжечковых контуров полностью зависит от процессов, осуществляемых зернистым слоем. Таким образом, функция зернистых клеток определяет мозжечковую функцию в целом. [12]
Дендриты гранулярных клеток также синапсируют с характерными немиелинизированными аксонами, которые Сантьяго Рамон-и-Кахаль назвал моховидными волокнами [4] . Моховидные волокна и клетки Гольджи оба образуют синаптические связи с гранулярными клетками. Вместе эти клетки образуют клубочки. [10]
Клетки-зерна подвержены прямому торможению: клетки-зерна возбуждают клетки Пуркинье, но также возбуждают ГАМКергические интернейроны, которые ингибируют клетки Пуркинье.
Клетки-зерна также подвержены ингибированию 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] Гранулярные клетки не просто передают сигналы от мшистых волокон, а выполняют различные сложные преобразования, которые требуются в пространственно-временной области. [10]
Каждая гранулярная клетка получает вход из двух разных входов моховидных волокон. Таким образом, вход поступает из двух разных мест, в отличие от гранулярной клетки, получающей несколько входов из одного и того же источника.
Различия в моховидных волокнах, которые посылают сигналы в зернистые клетки, напрямую влияют на тип информации, которую зернистые клетки транслируют клеткам Пуркинье. Надежность этого трансляции будет зависеть от надежности синаптической активности в зернистых клетках и от природы получаемого стимула. [15] Сигнал, который зернистая клетка получает от мшистого волокна, зависит от функции самого мшистого волокна. Поэтому зернистые клетки способны интегрировать информацию из различных мшистых волокон и генерировать новые паттерны активности. [15]
Различные модели ввода мшистых волокон будут производить уникальные модели активности в гранулярных клетках, которые могут быть изменены обучающим сигналом, передаваемым входом лазающих волокон . Дэвид Марр и Джеймс Альбус предположили, что мозжечок работает как адаптивный фильтр, изменяя двигательное поведение на основе характера сенсорного ввода.
Поскольку несколько (~200 000) зернистых клеток образуют синапсы на одной клетке Пуркинье, эффекты каждого параллельного волокна могут изменяться в ответ на «сигнал учителя» от входа лазающего волокна.
Дэвид Марр предположил, что гранулярные клетки кодируют комбинации входов моховидных волокон. Для того чтобы гранулярная клетка отреагировала, ей необходимо получить активные входы от нескольких моховидных волокон. Сочетание нескольких входов приводит к тому, что мозжечок способен проводить более точные различия между входными паттернами, чем это позволило бы одно моховидное волокно. [16] Гранулярные клетки мозжечка также играют роль в организации тонических проводимостей, которые контролируют сон в сочетании с окружающими уровнями ГАМК , которые обнаруживаются в мозге.
Потеря нейронов зубчатой извилины гиппокампа приводит к дефициту пространственной памяти. Поэтому считается, что зубчатые гранулярные клетки участвуют в формировании пространственных воспоминаний [17] и эпизодических воспоминаний. [18] Незрелые и зрелые зубчатые гранулярные клетки играют различную роль в функции памяти. Считается, что зрелые гранулярные клетки участвуют в разделении паттернов, тогда как старые гранулярные клетки способствуют быстрому завершению паттернов. [19]
Пирамидальные клетки первичной слуховой коры проецируются непосредственно на кохлеарное ядро. Это важно в акустическом рефлексе испуга , в котором пирамидальные клетки модулируют вторичный ориентационный рефлекс, а вход зернистых клеток отвечает за соответствующую ориентацию. [20] Это происходит потому, что сигналы, получаемые зернистыми клетками, содержат информацию о положении головы. Гранулярные клетки в дорсальном кохлеарном ядре играют роль в восприятии и реагировании на звуки в нашей окружающей среде.
Торможение, генерируемое зернистыми клетками, наиболее распространенным типом ГАМКергических клеток в обонятельной луковице, играет решающую роль в формировании выходного сигнала обонятельной луковицы. [21] Существует два типа возбуждающих входных сигналов, получаемых ГАМКергическими зернистыми клетками: те, которые активируются рецептором AMPA , и те, которые активируются рецептором NMDA . Это позволяет зернистым клеткам регулировать обработку сенсорного входа в обонятельной луковице. [21] Обонятельная луковица передает информацию о запахе из носа в мозг и, таким образом, необходима для правильного обоняния. Было также обнаружено, что зернистые клетки в обонятельной луковице играют важную роль в формировании воспоминаний, связанных с запахами. [22]
Динамика кальция необходима 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]
Гранулярные нейроны имеют высокие уровни нейрональной изоформы синтазы оксида азота . Этот фермент зависит от присутствия кальция и отвечает за выработку оксида азота (NO). Этот нейротрансмиттер является отрицательным регулятором пролиферации предшественников гранулярных клеток, что способствует дифференциации различных гранулярных клеток. NO регулирует взаимодействие между гранулярными клетками и глией [10] и необходим для защиты гранулярных клеток от повреждения. NO также отвечает за нейропластичность и моторное 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 для регулирования развития нейронов, пластичности нейронов, обучения и развития эпилепсии . [ 24] Регулирование TrkB гранулярных клеток важно для предотвращения дефицита памяти и лимбической эпилепсии. Это связано с тем, что зубчатые гранулярные клетки играют важную 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 нарушенную продукцию зрелых гранулярных клеток гиппокампа. [25] Эпилепсия связана с повышенной продукцией — но аберрантной интеграцией — новых клеток на ранних стадиях заболевания и сниженной продукцией на поздних стадиях заболевания. [25] Аберрантная интеграция клеток, образующихся у взрослых, во время развития эпилепсии может нарушить способность зубчатой извилины предотвращать избыточную возбуждающую активность от достижения пирамидальных клеток гиппокампа , тем самым способствуя возникновению судорог. [25] Длительный эпилептический приступ стимулирует нейрогенез зубчатых гранулярных клеток. Эти недавно рожденные 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 шипиков, чем у пациентов без болезни Альцгеймера. [27] Однако дендриты гранулярных клеток не являются существенным компонентом сенильных бляшек , и эти бляшки не оказывают прямого влияния на гранулярные клетки в зубчатой извилине. Специфические нейрофибриллярные изменения зубчатых гранулярных клеток наблюдаются у пациентов с болезнью Альцгеймера, вариантом с тельцами Леви и прогрессирующим надъядерным параличом . [28]
Список различных типов клеток в организме взрослого человека