Клетки Пуркинье или нейроны Пуркинье , названные в честь чешского физиолога Яна Евангелиста Пуркинье , который идентифицировал их в 1837 году, [2] представляют собой уникальный тип крупных нейронов , расположенных в коре мозжечка головного мозга . С их колбообразными клеточными телами, множеством разветвленных дендритов и одним длинным аксоном эти клетки необходимы для контроля двигательной активности. Клетки Пуркинье в основном выделяют нейротрансмиттер ГАМК ( гамма-аминомасляная кислота ), который ингибирует некоторые нейроны, чтобы уменьшить передачу нервных импульсов. Клетки Пуркинье эффективно контролируют и координируют двигательные движения тела посредством этих ингибирующих действий. [3] [4]
Канонически каждая взрослая клетка Пуркинье получает около 500 синапсов лазающих волокон, все из которых берут начало от одного лазающего волокна из нижней оливы. [7] Это привело к представлению о том, что «высококонсервативное отношение один к одному превращает дендриты Пуркинье в единый вычислительный отсек». [8] Однако теперь было обнаружено, что мультииннервация «встречается» у мышей среди подгруппы клеток Пуркинье с несколькими первичными дендритами, дендритный мотив, который нетипичен для грызунов, но «преобладает» у людей. [8]
Клетки Пуркинье посылают тормозные проекции в глубокие ядра мозжечка и представляют собой единственный выход всей двигательной координации в коре мозжечка.
Молекулярный
Слой Пуркинье мозжечка, содержащий клеточные тела клеток Пуркинье и глию Бергмана , экспрессирует большое количество уникальных генов. [9] Также были предложены маркеры генов, специфичных для Пуркинье, путем сравнения транскриптома мышей с дефицитом Пуркинье с транскриптомом мышей дикого типа. [10] Одним из показательных примеров является белок клеток Пуркинье 4 ( PCP4 ) у мышей с нокаутом , которые демонстрируют нарушение локомоторного обучения и заметно измененную синаптическую пластичность в нейронах Пуркинье. [11] [12] PCP4 ускоряет как ассоциацию, так и диссоциацию кальция (Ca 2+ ) с кальмодулином (CaM) в цитоплазме клеток Пуркинье, а его отсутствие нарушает физиологию этих нейронов. [11] [12] [13] [14]
Разработка
Исследования эмбрионов млекопитающих подробно описали нейрогенное происхождение клеток Пуркинье. [15] Во время раннего развития клетки Пуркинье возникают в желудочковой зоне нервной трубки, предшественника нервной системы у эмбриона. Все нейроны мозжечка происходят из зародышевого нейроэпителия желудочковой зоны. [16] Клетки Пуркинье специфически генерируются из предшественников в желудочковом нейроэпителии эмбрионального зачатка мозжечка. [17] Первые клетки, генерируемые из зачатка мозжечка, образуют колпачок над ромбовидной полостью развивающегося мозга, называемой четвертым желудочком, образуя два полушария мозжечка. Клетки Пуркинье, которые развиваются позже, являются клетками центральной части мозжечка, называемой червем. Они развиваются в зачатке мозжечка, который покрывает четвертый желудочек и ниже щелевидную область, называемую перешейком развивающегося мозга. Клетки Пуркинье мигрируют к внешней поверхности коры мозжечка и образуют слой клеток Пуркинье.
Клетки Пуркинье рождаются на самых ранних стадиях мозжечкового нейрогенеза. Нейрогенин2 вместе с нейрогенином1 временно экспрессируются в ограниченных доменах желудочкового нейроэпителия в течение временного окна генезиса клеток Пуркинье. [18] Эта пространственно-временная картина распределения предполагает, что нейрогенины участвуют в спецификации фенотипически гетерогенных подмножеств клеток Пуркинье, в конечном итоге отвечая за построение каркаса топографии мозжечка.
Имеются данные, что у мышей и людей клетки костного мозга либо сливаются, либо генерируют мозжечковые клетки Пуркинье, и вполне возможно, что клетки костного мозга, либо путем прямого образования, либо путем слияния клеток, могут играть роль в восстановлении повреждений центральной нервной системы. [19] [20] [21] [22] [23] Дополнительные данные указывают на возможность существования общего предка стволовых клеток среди нейронов Пуркинье, В-лимфоцитов и клеток коры надпочечников человека , вырабатывающих альдостерон . [22]
Функция
Клетки Пуркинье демонстрируют две различные формы электрофизиологической активности:
Простые спайки возникают с частотой 17–150 Гц (Раман и Бин, 1999) либо спонтанно, либо когда клетки Пуркинье активируются синаптически параллельными волокнами — аксонами зернистых клеток.
Сложные спайки — это медленные спайки частотой 1–3 Гц, характеризующиеся первоначальным продолжительным спайком большой амплитуды, за которым следует высокочастотный всплеск потенциалов действия меньшей амплитуды. Они вызваны активацией лазающих волокон и могут включать генерацию кальций-опосредованных потенциалов действия в дендритах. После сложной спайковой активности простые спайки могут быть подавлены мощным сложным спайковым входом. [24]
Клетки Пуркинье проявляют спонтанную электрофизиологическую активность в виде серий спайков, как натрий-зависимых, так и кальций-зависимых. Это было впервые 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 (Ллинас и др., 1989), которые играют решающую роль в функционировании мозжечка. Активация клетки Пуркинье лазящими волокнами может переключать ее активность из спокойного состояния в спонтанно активное состояние и наоборот, выступая в качестве своего рода переключателя. [25] Эти результаты были оспорены исследованием, предполагающим, что такое переключение входами лазающих волокон происходит преимущественно у анестезированных животных и что клетки Пуркинье у бодрствующих животных, в целом, работают почти непрерывно в северной части штата. [26] Однако это последнее исследование само по себе было подвергнуто сомнению [27] , и с тех пор переключение клеток Пуркинье наблюдалось у бодрствующих кошек. [28] Вычислительная модель клеток Пуркинье показала, что внутриклеточные вычисления кальция отвечают за переключение. [29]
Результаты исследования показали, что дендриты клеток Пуркинье выделяют эндоканнабиноиды , которые могут временно подавлять как возбуждающие, так и тормозные синапсы. [30] Режим внутренней активности клеток Пуркинье устанавливается и контролируется натрий-калиевым насосом . [31] Это говорит о том, что насос может быть не просто гомеостатической , «домашней» молекулой для ионных градиентов. Вместо этого он может быть вычислительным элементом в мозжечке и мозге. [32] Действительно, мутация в Na+ - К+ насос вызывает быстро наступающую дистонию паркинсонизма; его симптомы указывают на то, что это патология мозжечковых вычислений. [33]
Кроме того, использование яда уабаина для блокирования Na+ - К+ насосы в мозжечке живой мыши вызывают атаксию и дистонию . [34] Численное моделирование экспериментальных данных предполагает, что in vivo Na+ - К+ Насос производит длинные спокойные паузы (>> 1 с) для активации нейронов Пуркинье; они могут иметь вычислительную роль. [35] Алкоголь ингибирует Na+ - К+ насосы в мозжечке, и, вероятно, именно так он нарушает мозжечковые вычисления и координацию тела. [36] [37]
Клиническое значение
У людей клетки Пуркинье могут быть повреждены по разным причинам: токсическое воздействие, например, алкоголя или лития; аутоиммунные заболевания ; генетические мутации, вызывающие спиноцеребеллярные атаксии, глютеновую атаксию , болезнь Унферрихта-Лундборга или аутизм ; и нейродегенеративные заболевания, которые, как известно, не имеют генетической основы, такие как мозжечковый тип множественной системной атрофии или спорадические атаксии. [38] [39]
Глютеновая атаксия — это аутоиммунное заболевание, вызванное употреблением глютена . [40] Гибель клеток Пуркинье в результате воздействия глютена необратима. Ранняя диагностика и лечение с помощью безглютеновой диеты могут улучшить течение атаксии и предотвратить ее прогрессирование. [38] [41] Менее 10% людей с глютеновой атаксией проявляют какие-либо желудочно-кишечные симптомы, однако около 40% имеют повреждение кишечника. [41] На ее долю приходится 40% атаксий неизвестного происхождения и 15% всех атаксий. [41]
У некоторых домашних животных может развиться состояние, при котором клетки Пуркинье начинают атрофироваться вскоре после рождения, называемое мозжечковой абиотрофией . Это может привести к таким симптомам, как атаксия , интенционный тремор, гиперреактивность, отсутствие рефлекса угрозы , жесткая или высоко шагающая походка, кажущееся отсутствие осознания положения стопы (иногда стояние или ходьба с согнутой стопой) и общая неспособность определять пространство и расстояние. [43] Похожее состояние, известное как мозжечковая гипоплазия, возникает, когда клетки Пуркинье не развиваются внутриутробно или отмирают до рождения.
Генетические состояния атаксия-телеангиэктазия и болезнь Ниманна-Пика типа C, а также мозжечковый эссенциальный тремор , связаны с прогрессирующей потерей клеток Пуркинье. При болезни Альцгеймера иногда наблюдается спинальная патология, а также потеря дендритных ветвей клеток Пуркинье. [44] Клетки Пуркинье также могут быть повреждены вирусом бешенства , поскольку он мигрирует из места инфекции на периферии в центральную нервную систему. [45]
Этимология
Клетки Пуркинье названы в честь чешского ученого Яна Евангелиста Пуркине, который открыл их в 1839 году. [ необходима цитата ]
^ Пуркинье, Дж. Э. (1837). Neueste Untersuchungen aus der Nerven und Hirn Anatomie. Bericht über die Versammlung deutscher Naturforscher und Aerzte в Праге в сентябре 1883 г., 177–180.
^ Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, LaMantia A, McNamara JO и White LE (2008). Neuroscience. 4-е изд . Sinauer Associates. стр. 432–434. ISBN978-0-87893-697-7.
^ Tyrrell, T; Willshaw, D (1992-05-29). «Кора мозжечка: ее моделирование и релевантность теории Марра». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия B, Биологические науки . 336 (1277): 239–57. Bibcode : 1992RSPTB.336..239T. doi : 10.1098/rstb.1992.0059. PMID 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.
^ ab Busch, Silas E.; Hansel, Christian (2023). «Мультииннервация лазающих волокон дендритов Пуркинье мыши с разветвлением, характерным для человека». Science . 381 (6656): 420–427. doi :10.1126/science.adi1024. ISSN 0036-8075. PMC 10962609 . PMID 37499000.
^ Кирш, Л.; Лискович, Н.; Чечик, Г. (декабрь 2012 г.). Олер, Уве (ред.). «Локализация генов в мозжечковых слоях путем классификации изображений ISH». PLOS Computational Biology . 8 (12): e1002790. Bibcode : 2012PLSCB...8E2790K. doi : 10.1371/journal.pcbi.1002790 . PMC 3527225. PMID 23284274 .
^ Ронг, И; Ван Т; Морган Дж (2004). «Идентификация кандидатов на специфичные для клеток Пуркинье маркеры с помощью профилирования экспрессии генов у мышей дикого типа и мышей pcd3j». Molecular Brain Research . 13 (2): 128–145. doi :10.1016/j.molbrainres.2004.10.015. PMID 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.
^ ab Wei P, Blundon JA, Rong Y, Zakharenko SS, Morgan JI (2011). «Нарушение локомоторного обучения и измененная мозжечковая синаптическая пластичность у мышей pep-19/PCP4-null». Mol. Cell. Biol . 31 (14): 2838–44. doi :10.1128/MCB.05208-11. PMC 3133400. PMID 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.
^ Kleerekoper QK, Putkey JA (2009). «PEP-19, внутренне неупорядоченный регулятор сигнализации кальмодулина». J. Biol. Chem . 284 (12): 7455–64. doi : 10.1074/jbc.M808067200 . PMC 2658041. PMID 19106096 .
^ Сотело С, Росси Ф (2013). «Миграция и дифференцировка клеток Пуркинье». Справочник по мозжечку и мозжечковым расстройствам . С. 147–178. doi :10.1007/978-94-007-1333-8_9. ISBN978-94-007-1332-1. S2CID 80927298.
^ Хошино М (2006). «Молекулярный механизм, управляющий спецификацией ГАМКергических нейронов в мозжечке». Cerebellum . 5 (3): 193–198. doi :10.1080/14734220600589202. PMID 16997750. S2CID 20937713.
^ Карлетти Б., Росси Ф. (2008). «Нейрогенез в мозжечке». Neuroscientist . 14 (1): 91–100. doi :10.1177/1073858407304629. PMID 17911211. S2CID 34889988.
^ Zordan P, Croci L, Hawkes R, Consalez GG (2008). «Сравнительный анализ экспрессии пронейральных генов в эмбриональном мозжечке». Dev Dyn . 237 (6): 726–735. doi : 10.1002/dvdy.21571 . PMID 18498101.
^ Hess DC, Hill WD, Carroll JE, Borlongan CV (2004). «Генерируют ли клетки костного мозга нейроны?». Архивы неврологии . 61 (4): 483–485. doi : 10.1001/archneur.61.4.483 . PMID 15096394.
^ Weimann JM, Johansson CB, Trejo A, Blau HM (2003). «Стабильные перепрограммированные гетерокарионы образуются спонтанно в нейронах Пуркинье после трансплантации костного мозга». Nature Cell Biology . 5 (11): 959–966. doi :10.1038/ncb1053. PMID 14562057. S2CID 33685652.
^ Альварес-Доладо М., Пардаль Р., Гарсия-Вердуго Дж. М., Файк Дж. Р., Ли Х. О., Пфеффер К., Лоис К., Моррисон С. Дж., Альварес-Буйлла А. (2003). «Слияние клеток костного мозга с нейронами Пуркинье, кардиомиоцитами и гепатоцитами». Nature . 425 (6961): 968–973. Bibcode :2003Natur.425..968A. doi :10.1038/nature02069. hdl : 2027.42/62789 . PMID 14555960. S2CID 4394453.
^ ab Felizola SJ, Katsu K, Ise K, Nakamura Y, Arai Y, Satoh F, Sasano H (2015). «Экспрессия пре-B-лимфоцитарного белка 3 (VPREB3) в коре надпочечника: прецедент неиммунологических ролей в нормальных и опухолевых тканях человека». Эндокринная патология . 26 (2): 119–28. doi :10.1007/s12022-015-9366-7. PMID 25861052. S2CID 27271366.
^ Kemp K, Wilkins A, Scolding N (2014). «Слияние клеток в мозге: две клетки вперед, одна клетка назад». Acta Neuropathologica . 128 (5): 629–638. doi :10.1007/s00401-014-1303-1. PMC 4201757. PMID 24899142 .
^ Эрик Р. Кандел, Джеймс Х. Шварц, Томас М. Джесселл (2000). Принципы нейронауки. 4/e. McGraw-Hill. стр. 837-40.
^ Loewenstein Y, Mahon S, Chadderton P, Kitamura K, Sompolinsky H, Yarom Y и др. (2005). «Бистабильность мозжечковых клеток Пуркинье, модулированная сенсорной стимуляцией». Nature Neuroscience . 8 (2): 202–211. doi :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.
^ Loewenstein Y, Mahon S, Chadderton P, Kitamura K, Sompolinsky H, Yarom Y и др. (2006). «Клетки Пуркинье у бодрствующих животных работают при мембранном потенциале в верхнем состоянии–Ответ». Nature Neuroscience . 9 : 461. doi : 10.1038/nn0406-461 . S2CID 28713325.
^ Ярцев ММ, Дживон-Майо Р, Маллер М, Дончин О (2009). "Остановка клеток Пуркинье в мозжечке бодрствующей кошки". Frontiers in Systems Neuroscience . 3 : 2. doi : 10.3389/neuro.06.002.2009 . PMC 2671936. PMID 19390639 .
^ Форрест МД (2014). «Внутриклеточная динамика кальция позволяет модели нейрона Пуркинье выполнять вычисления переключения и усиления по ее входным данным». Frontiers in Computational Neuroscience . 8 : 86. doi : 10.3389/fncom.2014.00086 . PMC 4138505. PMID 25191262.
^ Kreitzer AC, Regehr WG (март 2001 г.). «Ретроградное ингибирование пресинаптического притока кальция эндогенными каннабиноидами в возбуждающих синапсах на клетках Пуркинье». Neuron . 29 (3): 717–27. doi : 10.1016/S0896-6273(01)00246-X . PMID 11301030.
^ Forrest MD, Wall MJ, Press DA, Feng J (декабрь 2012 г.). Cymbalyuk G (ред.). «Натрий-калиевый насос контролирует внутреннюю активность нейрона Пуркинье мозжечка». PLOS ONE . 7 (12): e51169. Bibcode :2012PLoSO...751169F. doi : 10.1371/journal.pone.0051169 . PMC 3527461 . PMID 23284664.
^ Форрест МД (декабрь 2014). «Натрий-калиевый насос — элемент обработки информации в мозговых вычислениях». Frontiers in Physiology . 5 (472): 472. doi : 10.3389 /fphys.2014.00472 . PMC 4274886. PMID 25566080.
^ Кэннон С (июль 2004 г.). «Плата за насос: дистония из-за мутаций в Na+/K+-АТФазе». Neuron . 43 (2): 153–154. doi : 10.1016/j.neuron.2004.07.002 . PMID 15260948.
^ Форрест МД (2014). «Внутриклеточная динамика кальция позволяет модели нейрона Пуркинье выполнять вычисления переключения и усиления по ее входным данным». Frontiers in Computational Neuroscience . 8 : 86. doi : 10.3389/fncom.2014.00086 . PMC 4138505. PMID 25191262.
^ Forrest MD (апрель 2015 г.). «Моделирование действия алкоголя на детальную модель нейрона Пуркинье и более простую суррогатную модель, которая работает >400 раз быстрее». BMC Neuroscience . 16 (27): 27. doi : 10.1186/s12868-015-0162-6 . PMC 4417229 . PMID 25928094.
^ Форрест, Майкл (апрель 2015 г.). "нейробиологическая_причина_по_которой_мы_падаем_когда_пьяные". 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.
^ Jaber M (2017). «Мозжечок как основной игрок в двигательных нарушениях, связанных с аутистическими синдромными расстройствами». Encephale (обзор). 43 (2): 170–175. doi :10.1016/j.encep.2016.03.018. PMID 27616580.
^ Sapone A, Bai JC, Ciacci C, Dolinsek J, Green PH, Hadjivassiliou M, Kaukinen K, Rostami K, Sanders DS, Schumann M, Ullrich R, Villalta D, Volta U, Catassi C, Fasano A (2012). «Спектр заболеваний, связанных с глютеном: консенсус по новой номенклатуре и классификации». BMC Medicine (Обзор). 10 : 13. doi : 10.1186/1741-7015-10-13 . PMC 3292448 . PMID 22313950.
^ abc Hadjivassiliou M, Sanders DD, Aeschlimann DP (2015). «Расстройства, связанные с глютеном: глютеновая атаксия». Dig Dis (Обзор). 33 (2): 264–8. doi :10.1159/000369509. PMID 25925933. S2CID 207673823.
^ Stucki DM, Ruegsegger C, Steiner S, Radecke J, Murphy MP, Zuber B, Saxena S (август 2016 г.). «Митохондриальные нарушения способствуют прогрессированию спиноцеребеллярной атаксии типа 1 и могут быть улучшены с помощью митохондриально-таргетированного антиоксиданта MitoQ» (PDF) . Free Radic. Biol. Med . 97 : 427–440. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2016.07.005 . PMID 27394174.
^ Для получения дополнительной информации см. обширный список ссылок и библиографию в статье « Абиотрофия 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. ПМЦ 10845446 . PMID 20870670. S2CID 30688657.
^ Фекаду, Маконнен (27 марта 2009 г.). «Бешенственный энцефалит, тельца Негри в цитоплазме нейронов мозжечковых клеток Пуркинье». CDC/Frontal Cortex Inc. Получено 21 июня 2013 г.Примечание: не рецензировалось.
Дальнейшее чтение
Llinás R, Hess R (июль 1976 г.). «Устойчивые к тетродотоксину дендритные шипы в клетках Пуркинье птиц». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 73 (7): 2520–3. Bibcode :1976PNAS...73.2520L. doi : 10.1073/pnas.73.7.2520 . PMC 430632 . PMID 1065905.
Llinás R, Sugimori M (август 1980). «Электрофизиологические свойства in vitro соматических клеток Пуркинье в срезах мозжечка млекопитающих». J. Physiol . 305 : 171–95. doi :10.1113/jphysiol.1980.sp013357. PMC 1282966. PMID 7441552 .
Llinás RR, Sugimori M, Cherksey B (1989). "Зависящие от напряжения кальциевые проводимости в нейронах млекопитающих. Канал P". Ann. NY Acad. Sci . 560 (1 Calcium Chann): 103–11. doi :10.1111/j.1749-6632.1989.tb24084.x. PMID 2545128. S2CID 84107834.
Форрест, Майкл (октябрь 2014). Биофизика и вычисления нейрона Пуркинье мозжечка . CreateSpace. ISBN 978-1502454546.
Внешние ссылки
Библиотека изображений клеток - Пуркинье
Заболевания мозжечка Архивировано 26.08.2009 на Wayback Machine