Синаптогенез – это образование синапсов между нейронами нервной системы . Хотя это происходит на протяжении всей жизни здорового человека , взрывное образование синапсов происходит на ранних стадиях развития мозга , известное как буйный синаптогенез . [1] Синаптогенез особенно важен в критический период жизни человека , во время которого происходит определенная степень сокращения синапсов из-за конкуренции нейронов и синапсов за факторы роста нейронов . Процессы, которые не используются или подавляются в критический период, не смогут нормально развиваться в дальнейшей жизни. [2] [ нужны дополнительные пояснения ]
Нервно -мышечное соединение (НМС) является наиболее хорошо изученным синапсом, поскольку оно представляет собой простую и доступную структуру, позволяющую легко манипулировать и наблюдать. Сам синапс состоит из трех клеток: двигательного нейрона , миофибриллы и шванновской клетки . В нормально функционирующем синапсе сигнал вызывает деполяризацию двигательного нейрона за счет высвобождения нейромедиатора ацетилхолина (АХ). Ацетилхолин проходит через синаптическую щель, где достигает ацетилхолиновых рецепторов (АХР) на плазматической мембране миоволокна, сарколемме . Когда АХР открывают ионные каналы , мембрана деполяризуется, вызывая сокращение мышц. Весь синапс покрыт миелиновой оболочкой , обеспечиваемой шванновской клеткой, которая изолирует и инкапсулирует соединение. [3] Еще одной важной частью нервно-мышечной системы и центральной нервной системы являются астроциты . Первоначально считалось, что они функционируют только как поддержка нейронов, но они играют важную роль в функциональной пластичности синапсов. [4]
Во время развития каждый из трех типов клеток зародышевого листка возникает из разных областей растущего эмбриона. Отдельные миобласты возникают в мезодерме и сливаются, образуя многоядерную мышечную трубку. Во время или вскоре после формирования мышечной трубки мотонейроны нервной трубки образуют предварительные контакты с мышечной трубкой. Шванновские клетки возникают из нервного гребня и по аксонам доставляются к месту назначения. Достигнув его, они образуют рыхлый безмиелиновый покров над иннервирующими аксонами. Движение аксонов (а затем и шванновских клеток) направляется конусом роста, нитевидным выступом аксона, который активно ищет нейротрофины, высвобождаемые мышечной трубкой. [3]
Специфический характер развития синапсов в нервно-мышечных соединениях показывает, что большинство мышц иннервируются в их средних точках. Хотя может показаться, что аксоны нацелены конкретно на середину мышечной трубки, несколько факторов показывают, что это утверждение не соответствует действительности. Похоже, что после первоначального контакта аксонов вновь сформированная мышечная трубка продолжает расти симметрично от этой точки иннервации. В сочетании с тем фактом, что плотность AChR является результатом контакта аксонов, а не причиной, структурные паттерны мышечных волокон можно объяснить как миотатическим ростом, так и иннервацией аксонов. [3]
Предварительный контакт, образующийся между мотонейроном и мышечной трубкой, почти сразу вызывает синаптическую передачу, но производимый сигнал очень слабый. Есть доказательства того, что шванновские клетки могут облегчать эти предварительные сигналы, увеличивая количество спонтанного высвобождения нейротрансмиттеров посредством сигналов малых молекул. [5] Примерно через неделю после нескольких типов дифференцировки как в постсинаптической мышечной клетке, так и в пресинаптическом мотонейроне формируется полностью функциональный синапс. Этот пионерский аксон имеет решающее значение, поскольку последующие новые аксоны имеют высокую склонность к формированию контактов с уже устоявшимися синапсами. [3]
Наиболее заметным изменением в мышечной трубке после контакта с мотонейроном является повышение концентрации АХР в плазматической мембране мышечной трубки в синапсе. Это увеличенное количество AChR позволяет более эффективно передавать синаптические сигналы, что, в свою очередь, приводит к более развитому синапсу. Плотность АХР > 10 000/мкм 2 и около 10/мкм 2 по краю. Такая высокая концентрация AChR в синапсе достигается за счет кластеризации AChR, усиления транскрипции гена AChR в постсинаптических ядрах и подавления гена AChR в несинаптических ядрах. [3] Сигналы, которые инициируют постсинаптическую дифференцировку, могут быть нейротрансмиттерами, высвобождаемыми непосредственно из аксона в мышечную трубку, или они могут возникать в результате изменений, активированных во внеклеточном матриксе синаптической щели. [6]
AChR испытывает мультимеризацию внутри постсинаптической мембраны во многом благодаря сигнальной молекуле Agrin . Аксон мотонейрона высвобождает агрин, протеогликан, который инициирует каскад, который в конечном итоге приводит к ассоциации AChR. Агрин связывается с рецептором специфической для мышц киназы ( MuSK ) в постсинаптической мембране, что, в свою очередь, приводит к последующей активации цитоплазматического белка рапсина . Рапсин содержит домены, которые обеспечивают ассоциацию и мультимеризацию AChR, и он непосредственно отвечает за кластеризацию AChR в постсинаптической мембране: мутантные мыши с дефицитом рапсина не способны формировать кластеры AChR. [3]
Повышенная концентрация AChR происходит не просто из-за перестройки ранее существовавших синаптических компонентов. Аксон также передает сигналы, которые регулируют экспрессию генов внутри миоядер непосредственно под синапсом. Эта передача сигналов обеспечивает локализованную активацию транскрипции генов AChR и последующее увеличение локальной концентрации AChR. Две сигнальные молекулы, высвобождаемые аксоном, — это пептид, связанный с геном кальцитонина (CGRP), и нейрегулин , которые запускают ряд киназ, которые в конечном итоге приводят к активации транскрипции генов AChR. [7]
Репрессия гена AChR в несинаптических ядрах представляет собой процесс, зависящий от активности, в котором участвует электрический сигнал, генерируемый вновь сформированным синапсом. Снижение концентрации АХР во внесинаптической мембране в дополнение к повышенной концентрации в постсинаптической мембране помогает обеспечить точность сигналов, посылаемых аксоном, путем локализации АХР в синапсе. Поскольку синапс начинает получать входные сигналы почти сразу после того, как мотонейрон вступает в контакт с мышечной трубкой, аксон быстро генерирует потенциал действия и высвобождает АХ. Деполяризация, вызванная АХР, вызывает сокращение мышц и одновременно инициирует репрессию транскрипции гена АХР на всей мышечной мембране. Обратите внимание, что это влияет на транскрипцию генов на расстоянии: рецепторы, встроенные в постсинаптическую мембрану, не подвержены репрессии. [3]
Хотя механизмы, регулирующие пресинаптическую дифференцировку, неизвестны, изменения, наблюдаемые в развивающемся конце аксона, хорошо изучены. Пресинаптический аксон демонстрирует увеличение синаптического объема и площади, увеличение количества синаптических везикул, скопление везикул в активной зоне и поляризацию пресинаптической мембраны. Считается, что эти изменения опосредуются высвобождением нейротрофинов и молекул клеточной адгезии из мышечных клеток, тем самым подчеркивая важность связи между мотонейроном и мышечной трубкой во время синаптогенеза. Считается, что, как и постсинаптическая дифференцировка, пресинаптическая дифференциация обусловлена сочетанием изменений в экспрессии генов и перераспределением ранее существовавших синаптических компонентов. Доказательства этого можно увидеть в усилении регуляции генов, экспрессирующих белки везикул, вскоре после образования синапса, а также в их локализации на синаптическом окончании. [3]
Незрелые синапсы при рождении иннервируются многократно из-за высокой склонности новых аксонов иннервировать ранее существовавший синапс. По мере созревания синапса синапсы разделяются и, в конечном итоге, все входные аксоны, за исключением одного, втягиваются в процесс, называемый устранением синапса. Более того, постсинаптическая концевая пластинка растет глубже и образует складки за счет инвагинации, увеличивая площадь поверхности, доступную для приема нейротрансмиттеров. При рождении шванновские клетки образуют рыхлые немиелиновые покрытия над группами синапсов, но по мере созревания синапсов шванновские клетки становятся привязанными к одному синапсу и образуют миелинизированную крышку по всему нервно-мышечному соединению. [3]
Процесс обрезки синапсов, известный как устранение синапсов, предположительно является зависимым от активности процессом, который включает конкуренцию между аксонами. Гипотетически, синапс, достаточно сильный, чтобы генерировать потенциал действия, заставит миоядра, расположенные напротив аксона, высвободить синаптотропины, которые укрепят и поддержат устоявшиеся синапсы. Это синаптическое усиление не передается более слабым синапсам, тем самым истощая их. Также было высказано предположение, что помимо синаптотропинов, высвобождаемых в синапс и проявляющих сильную активность, деполяризация постсинаптической мембраны вызывает высвобождение синаптотоксинов, которые отпугивают более слабые аксоны. [3]
Замечательным аспектом синаптогенеза является тот факт, что мотонейроны способны различать быстрые и медленные мышечные волокна; Быстросокращающиеся мышечные волокна иннервируются «быстрыми» мотонейронами, а медленносокращающиеся мышечные волокна иннервируются «медленными» мотонейронами. Существует два предполагаемых пути, с помощью которых аксоны мотонейронов достигают этой специфичности: один, при котором аксоны активно распознают мышцы, которые они иннервируют, и принимают выборочные решения на основе входных данных, а другой требует более неопределенной иннервации мышечных волокон. В избирательных путях аксоны распознают тип волокон либо по факторам, либо по сигналам, выделяемым конкретно быстрыми или медленными мышечными волокнами. Кроме того, избирательность можно проследить по латеральному положению аксонов, предопределенному расположению, чтобы связать их с мышечным волокном, которое они в конечном итоге иннервируют. Гипотетические неселективные пути указывают на то, что аксоны направляются к месту назначения благодаря матрице, через которую они проходят. По сути, для аксона проложен путь, а сам аксон не участвует в процессе принятия решений. Наконец, аксоны могут неспецифически иннервировать мышечные волокна и заставлять мышцы приобретать характеристики аксона, который их иннервирует. На этом пути «быстрый» мотонейрон может преобразовать любое мышечное волокно в быстросокращающееся мышечное волокно. Имеются доказательства как избирательного, так и неселективного пути специфичности образования синапсов, что позволяет сделать вывод, что этот процесс представляет собой комбинацию нескольких факторов. [3]
Хотя изучение синаптогенеза в центральной нервной системе (ЦНС) началось гораздо позже, чем исследование НМС, есть надежда связать информацию, полученную в НМС, с синапсами внутри ЦНС. Между этими двумя типами нейронных связей существует множество схожих структур и основных функций. На самом базовом уровне и синапс ЦНС, и НМС имеют нервное окончание, которое отделено от постсинаптической мембраны щелью, содержащей специализированный внеклеточный материал. Обе структуры имеют локализованные везикулы в активных центрах, кластерные рецепторы на постсинаптической мембране и глиальные клетки, которые инкапсулируют всю синаптическую щель. Что касается синаптогенеза, оба синапса демонстрируют дифференцировку пре- и постсинаптических мембран после первоначального контакта между двумя клетками. Это включает в себя кластеризацию рецепторов, локализованную активацию синтеза белка в активных центрах и обрезку нейронов посредством устранения синапсов. [3]
Несмотря на сходство структуры, между этими двумя соединениями существует фундаментальная разница. Синапс ЦНС строго нейрональный и не затрагивает мышечные волокна: по этой причине ЦНС использует разные молекулы и рецепторы нейромедиаторов. Что еще более важно, нейроны ЦНС часто получают несколько входных данных, которые необходимо обработать и интегрировать для успешной передачи информации. Мышечные волокна иннервируются одним входом и работают по принципу «все или ничего». В сочетании с пластичностью, характерной для нейронных связей ЦНС, легко увидеть, насколько все более сложными могут становиться цепи ЦНС. [3]
Основной метод синаптической передачи сигналов в НМС заключается в использовании нейромедиатора ацетилхолина и его рецептора. Гомологом ЦНС является глутамат и его рецепторы, а одним из особо важных является рецептор N-метил-D-аспартата (NMDA). Было показано, что активация NMDA-рецепторов инициирует синаптогенез посредством активации нижестоящих продуктов. Повышенный уровень активности рецептора NMDA во время развития позволяет увеличить приток кальция, который действует как вторичный сигнал. В конце концов, непосредственные ранние гены (IEG) активируются факторами транскрипции и транслируются белки, необходимые для дифференцировки нейронов. [8] Функция рецептора NMDA связана с рецептором эстрогена в нейронах гиппокампа. Эксперименты, проведенные с эстрадиолом, показывают, что воздействие эстрогена значительно увеличивает плотность синапсов и концентрацию белка. [9]
Синаптическая передача сигналов во время синаптогенеза зависит не только от активности, но и от среды, в которой расположены нейроны. Например, нейротрофический фактор головного мозга (BDNF) вырабатывается мозгом и регулирует несколько функций развивающегося синапса, включая усиление высвобождения медиатора, повышение концентрации везикул и биосинтез холестерина. Холестерин необходим для синаптогенеза, поскольку образуемые им липидные рафты обеспечивают каркас, на котором могут происходить многочисленные сигнальные взаимодействия. У BDNF-нулевых мутантов наблюдаются значительные дефекты роста нейронов и образования синапсов. [10] Помимо нейротрофинов, молекулы клеточной адгезии также необходимы для синаптогенеза. Часто связывание пресинаптических молекул клеточной адгезии с их постсинаптическими партнерами запускает специализацию, которая облегчает синаптогенез. Действительно, дефект в генах, кодирующих нейролигин , молекулу клеточной адгезии, обнаруженную в постсинаптической мембране, связан со случаями аутизма и умственной отсталости. [11] Наконец, многие из этих сигнальных процессов могут регулироваться матриксными металлопротеиназами (ММП), поскольку мишенями многих ММП являются эти специфические молекулы клеточной адгезии. [6]
Особая структура ЦНС, позволяющая осуществлять множественные входы, — это дендритный шип , высокодинамичный участок возбуждающих синапсов. Этот морфологический динамизм обусловлен специфической регуляцией актинового цитоскелета, который, в свою очередь, позволяет регулировать образование синапсов. [12] Дендритные шипы имеют три основные морфологии: филоподии, тонкие шипы и грибовидные шипы. Филоподии играют роль в синаптогенезе, инициируя контакт с аксонами других нейронов. Филоподии новых нейронов имеют тенденцию ассоциироваться с аксонами с множеством синапсов, тогда как филоподии зрелых нейронов имеют тенденцию к участкам, лишенным других партнеров. Динамизм шипов позволяет превращать филоподии в грибовидные шипы, которые являются основными местами глутаматных рецепторов и синаптической передачи. [13]
Крысы, выращенные в условиях обогащения окружающей среды, имеют на 25% больше синапсов, чем контрольная группа. [14] [15] Этот эффект возникает независимо от того, создается ли более стимулирующая среда сразу после рождения, [16] после отъема от груди, [14] [15] [17] или во время взросления. [18] Стимуляция влияет не только на синаптогенез пирамидных нейронов , но и на звездчатые . [19]
Семейство ( Wnt ) включает несколько эмбриональных морфогенов , которые способствуют раннему формированию паттернов развивающегося эмбриона. Недавно появились данные, показывающие, что семейство белков Wnt играет роль в более позднем развитии формирования синапсов и пластичности . Вклад Wnt в синаптогенез подтвержден как в центральной нервной системе , так и в нервно-мышечных соединениях .
Члены семейства Wnt способствуют образованию синапсов в мозжечке, индуцируя образование пресинаптических и постсинаптических терминалей. Эта область мозга содержит три основных типа нейрональных клеток: клетки Пуркинье , гранулярные клетки и клетки мшистых волокон . Экспрессия Wnt-3 способствует росту нейритов клеток Пуркинье и образованию синапсов. [20] [21] Клетки-зерна экспрессируют Wnt-7a, чтобы способствовать распространению и разветвлению аксонов в их синаптическом партнере, клетках мшистых волокон. [21] Ретроградная секреция Wnt-7a в клетки мшистых волокон вызывает увеличение конуса роста за счет расширения микротрубочек . [21] Кроме того, ретроградная передача сигналов Wnt-7a привлекает синаптические везикулы и пресинаптические белки в синаптическую активную зону . [20] Wnt-5a выполняет аналогичную функцию на постсинаптических гранулярных клетках; этот Wnt стимулирует сборку рецептора и кластеризацию каркасного белка PSD-95 . [20]
В гиппокампе Wnts в сочетании с электрической активностью клеток способствуют образованию синапсов. Wnt7b экспрессируется в созревающих дендритах [21] , а экспрессия рецептора Wnt Frizzled (Fz) сильно увеличивается с образованием синапсов в гиппокампе. [20] Активация рецептора глутамата NMDA увеличивает экспрессию Wnt2. Долговременная потенциация (LTP) за счет активации NMDA и последующей экспрессии Wnt приводит к локализации Fz-5 в постсинаптической активной зоне. [20] Кроме того, передача сигналов Wnt7a и Wnt2 после LTP, опосредованной рецептором NMDA, приводит к усилению разветвления дендритов и регулирует синаптическую пластичность, индуцированную активностью. [22] Блокирование экспрессии Wnt в гиппокампе смягчает эти зависящие от активности эффекты за счет уменьшения разветвления дендритов и, как следствие, синаптической сложности. [22]
Аналогичные механизмы действия Wnts в центральной нервной системе наблюдаются и в нервно-мышечном соединении (НМС). У дрозофилы мутации NMJ в рецепторе Wnt5 Derailed (drl) уменьшают количество и плотность синаптических активных зон. [20] Основным нейромедиатором в этой системе является глутамат. Wnt необходим для локализации глутаматергических рецепторов на постсинаптических мышечных клетках. В результате мутации Wnt уменьшают вызванные токи в постсинаптической мышце. [20]
В NMJ позвоночных экспрессия Wnt-11r мотонейронами способствует кластеризации рецептора ацетилхолина (AChR) в постсинаптической плотности мышечных клеток. Wnt-3 экспрессируется мышечными волокнами и ретроградно секретируется в мотонейроны. [21] В мотонейронах Wnt-3 работает с Агрином, способствуя увеличению конуса роста, ветвлению аксонов и кластеризации синаптических пузырьков. [21] [22]