Чашечка Хельда — это особенно крупный возбуждающий синапс в слуховой нервной системе млекопитающих , названный так в честь Ганса Хельда, который впервые описал его в своей статье 1893 года Die centrale Gehörleitung [1] [2] из-за его сходства с чашечкой цветка. [3] Шаровидные кустистые клетки в передне-вентральном улитковом ядре (AVCN) [4] посылают аксоны в контралатеральное медиальное ядро трапециевидного тела (MNTB), где они синапсируют через эти чашечки на главных клетках MNTB. [5] [6] [7] Затем эти главные клетки проецируются в ипсилатеральную латеральную верхнюю оливу (LSO) , [8] где они ингибируют постсинаптические нейроны и обеспечивают основу для обнаружения интераурального уровня (ILD), необходимого для локализации высокочастотного звука. [9] Этот синапс был описан как самый большой в мозге. [10]
Связанная с ним концевая луковица Хельда также является крупным терминальным синапсом аксона (15–30 мкм в диаметре), обнаруженным в другой слуховой структуре ствола мозга, а именно в передне-вентральном кохлеарном ядре (AVCN). [11] Как и чашечки, эти синапсы способствуют быстрой и эффективной передаче информации.
Чашечка Хельда и концевая луковица Хельда удерживают пузырьки, содержащие глутамат , на пресинаптическом окончании; пузырьки высвобождаются при стимуляции (возникающей в улитке и AVCN). Затем глутамат связывается с двумя известными рецепторами глутамата, AMPA- и NMDA-рецепторами , быстро инициируя потенциалы действия в постсинаптической клетке. [12]
Чашечка Хельда, широко используемая в исследованиях из-за своего большого размера, использовалась для понимания различных механизмов, связанных с развитием и высвобождением везикул из синапса.
Чашечка Хельда является частью слуховой системы , соединяющей шаровидные кустистые клетки (GBCs) антеровентрального кохлеарного ядра с главными нейронами медиального ядра трапециевидного тела (MNTB). Как синаптическая функция чашечки Хельда заключается в передаче сигнала от GBCs к главным нейронам MNTB, которые являются глицинергическими, таким образом гиперполяризуя клетки в ядрах латеральных верхних олив (LSO) и производя ингибирующие эффекты. [12] В результате ее роли в стимуляции главных нейронов MNTB, основная функция чашечки Хельда заключается в обеспечении дифференциации между временной активацией волосковых клеток улитки, которые важны для локализации звука (обнаружение интераурального уровня). [13]
Интерауральное обнаружение уровня возможно через систему чашечки из-за большого относительного размера GBC, чашечки Held и главных нейронов MNTB. Нейроны в LSO особенно важны для различения этих интерауральных различий уровня. Большой диаметр кустистых клеточных аксонов позволяет тормозному сигналу, производимому нейронами MNTB, достигать SOC примерно на 0,2 мс позже ипсилатерального возбуждения. Эта разница во времени задержки ~0,2 миллисекунды достаточно коротка, чтобы позволить сравнить уровни с двух сторон для оценки ILD, особенно на высоких частотах, а также позволяет некоторую чувствительность ITD на частотах, достаточно низких для поцикловой фазовой синхронизации. [12]
Для каждого главного нейрона MNTB есть одна чашечка, а для большинства аксонов GBC есть только одна чашечка, хотя есть исключения из этого спаривания. [1] В целом это создает соотношение один к одному между GBC, чашечками Хельда и главными нейронами. Чашечка Хельда охватывает главный нейрон с отчетливой морфологией: разветвление чашечки позволяет создавать сети второго и третьего порядка. Каждая ветвь устанавливает связь с главным нейроном, устанавливая большое количество активных зон. Это необычно для синаптических окончаний в мозге, так как большинство создает одну активную зону. [14] Каждая чашечка содержит где-то от 300 до 700 активных зон, и в каждой из активных зон имеется около 100 содержащих глутамат пузырьков с примерно 3 прикрепленными пузырьками одновременно. Эти пузырьки большие, что согласуется с выводами относительно квантового размера в других взрослых синапсах. Также присутствуют везикулы с плотным ядром, обычно содержащие нейропептиды , но необходимы дальнейшие исследования для определения их содержания и функции. [15]
Для поддержания структуры синапса, как и в других синапсах, существует множество микротрубочек . Чашечка имеет большое количество микротрубочек у основания терминала. Эти микротрубочки выполняют множество функций, таких как обеспечение стабильности синапса, ограничение распределения синаптических пузырьков и локализация митохондрий . Митохондрии выполняют три важные функции в синаптическом терминале: позволяют синапсу удовлетворять метаболические потребности (особенно для удаления кальция после деполяризации ), буферизируют кальций, позволяя поглощать кальций в митохондриях, и обеспечивают энергию для синтеза глутамата. [12]
Различные глиальные клетки также связаны с чашечкой Хельда. Два типа глиальных клеток окружают чашечку: астроциты и глиальные клетки NG 2. Астроциты экспрессируют транспортеры глутамата для удаления глутамата из синапса. Это единственный известный механизм удаления глутамата из синапса. Глиальные клетки NG 2 экспрессируют рецепторы AMPA. [12]
На второй день после рождения (P2) формируется незрелая чашечка Хельда, легко отличимая по характерной морфологии запечатанной ложки . [12] Первичные синаптические контакты, которые образуют чашечку, собираются между нейронами MNTB (медиальное ядро трапециевидного тела) и VCN (вентральный кохлеарный нерв), в конечном итоге соединяясь друг с другом, проецируясь через среднюю линию двух областей. Эти ассоциации начинают появляться сразу после того, как были сформированы нейроны VCN; можно наблюдать самое раннее формирование этих контактов около 17-го дня эмбрионального развития (E17). Эти нейронные связи, которые составляют важную область улитки, образуют ветви друг с другом, которые заканчиваются в чашечке Хельда. В течение следующих двух-трех недель нейронные контакты, которые впервые сформировали эмбриональную чашечку, развиваются по форме и функции, достигая кульминации в зрелой чашечке, которая способствует последовательному, быстрому распространению сигналов в области MNTB-VCN. [14]
Несколько избранных процессов происходят во время раннего развития нейронов, чтобы обеспечить правильное формирование чашечки, в частности, через влияние фактора роста фибробластов (FGF), фактора транскрипции Math5, молекулы распознавания нейронных клеток NB-2 и белков эфрина (Eph) в клетках. Math1/Math5 и FGF являются двумя регуляторами, необходимыми для надлежащего роста и развития комплекса ядра улитки , который включает как вентральное ядро улитки (VCN), так и дорсальное ядро улитки (DCN). Достаточные уровни FGF обеспечивают правильную морфологию ядер улитки, в то время как Math5 обеспечивает правильный размер и обработку ядра улитки. Math1, другой фактор транскрипции, необходим для появления нейронов VCN в экстрамуральном потоке улитки, а также нейронов верхнего оливарного комплекса . NB-2 также помогает в продвижении формирования чашечки Held, а также способствует поддержанию контралатерального MNTB. Совместные эффекты этих трех молекул друг с другом иллюстрируют тот факт, что существует много семейств белков, участвующих в правильной сигнализации и формировании чашечки. [14]
Кроме того, белки Eph являются неотъемлемой частью дальнейшего развития системы слуховой цепи после первоначального формирования эмбриональной чашечки. Одной из характеристик, отличающих белки Eph и их рецепторы от других сигнальных систем, является их способность передавать информацию двунаправленно. Прямая и обратная передача сигналов в клетках VCN и MNTB необходима для надлежащего количества и формирования проекций VCN и ипсилатеральных MNTB в чашечке. Белки Eph также гарантируют, что в то время как аксоны проходят через ипсилатеральный MNTB, разветвление и окончательное завершение этих проекций происходят только в контралатеральном MNTB, возможно, потому, что белки нацелены только на определенные области на аксонах. [14]
В целом, в чашечке Хельда происходят два ультраструктурных изменения. Первое заключается в том, что на второй неделе развития увеличивается миелинизация аксонов VCN в MNTB. Этот заметный рост миелина соответствует хронологическому развитию сигнальной цепи и адаптации чашечки. Второе ультраструктурное изменение касается основных нейронов MNTB, чьи клеточные тела и ядра увеличивают площадь поверхности из-за увеличения. Это прямой результат распада отдельных, более крупных постсинаптических плотностей на более мелкие, множественные плотности. [14]
Калиевые каналы жизненно важны для проведения пресинаптического потенциала действия . Чашечка содержит несколько типов калиевых каналов, каждый из которых отличается по местоположению и чувствительности. Как низкопороговые каналы K + , так и высокопороговые каналы K + задержанного выпрямительного типа присутствуют в пресинаптических нейронах. [15] Существует четыре низкопороговых канала K + : K v 1.1, K v 1.2, K v 1.3 и K v 7.5. K v 1.1 и K v 1.2 расположены в переходной зоне между аксоном и терминалом, в то время как K v 1.3 K v 7.5 расположены в чашечке. [15] Существует кальций-активируемый калиевый канал, экспрессируемый в чашечке, однако этот тип канала не способствует высвобождению нейротрансмиттера. [12]
В течение одной недели у мышей (P7–P14) наблюдалось увеличение плотности низкопороговых каналов K v 1 и K v 3 , что в свою очередь влияет на кинетику каналов. [15]
Изменения в натриевых каналах во время созревания позволяют увеличить скорость пресинаптического потенциала действия. Здесь потенциалы действия становятся быстрее из-за способности натриевых каналов быстрее восстанавливаться после проведения . Данные показывают, что экспрессия в альфа-субъединице Na V 1.6 , особого типа натриевого канала, отвечает за увеличение скорости передачи. Na V 1.2 , другой натриевый канал, экспрессируемый в аксонах и узлах, как известно, демонстрирует более медленную кинетику. [14]
Для компенсации миелинизации (увеличения емкости ), ведущей к чашечке в последнем узле (область между миелиновой оболочкой) перед окончанием аксона, содержится высокая плотность Na + -каналов, чтобы обеспечить большой приток (внутрь) натрия и вызвать открытие потенциалзависимых кальциевых каналов в пресинаптическом окончании, вызывая приток кальция.
В незрелых чашечках Хельда ионы кальция (Ca 2+ ) поступают в нейроны MNTB через каналы Ca 2+ N- , P/Q- и R-типа , однако в зрелых чашечках приток Ca 2+ происходит в основном через каналы P/Q-типа. [14] Рецепторы Ca 2+ N- и R-типа менее склонны вызывать высвобождение везикул, поскольку эти типы рецепторов находятся дальше от мест высвобождения. Поэтому ионы кальция, поступающие в каналы N- и R-типа, увеличивают концентрацию ионов кальция в областях, имеющих меньшее значение для функции чашечки.
Блокирование каналов Ca2 + может происходить посредством использования рецепторов, сопряженных с G-белком , которые активируются следующими нейротрансмиттерами: [12]
Изменения происходят в ионных каналах, способствуя более быстрой передаче: [12]
Помимо рецептора глутамата, в незрелых чашечках Хельда было обнаружено всего несколько других лиганд-управляемых каналов : ионотропный ГАМК А и глициновый рецептор . Эти рецепторы позволяют хлориду (Cl − ) проходить через мембрану, и из-за высокой концентрации хлорида в терминале эти рецепторы являются деполяризующими. [12]
Между второй и третьей постнатальными неделями, примерно во время начала слуха, чашечка Хельда приобретает свой характерный, сильно фенестрированный (много отверстий) вид. [14] Фенестрация приводит к тому, что мембрана уменьшается до многочисленных мелких отсеков, что увеличивает отношение поверхности к объему чашечки Хельда. По мере того, как мембрана становится все более сдавленной в эти луковичные структуры, синаптические пузырьки еще больше группируются в этих пространствах, что приводит к увеличению числа прикрепленных пузырьков. [12]
Для компенсации имеющегося пространства в чашечке используются глиальные клетки с рецепторами глутамата и транспортерами, которые заполняют открытые пространства, обеспечивая эффективное поглощение глутамата в синапсе.
Как синапс, чашечка Хельда следует механизму, похожему на другие синапсы. Подробное описание можно найти в разделе нейротрансмиссия .
Приток кальция для незрелой чашечки Held опосредован кальциевыми каналами N- , P / Q- и R-типа ; однако при созревании доминируют только кальциевые каналы P/Q-типа. [14] При притоке кальция незрелая чашечка Held становится высокореактивной из-за своей небольшой буферной способности кальция — это вызывает высвобождение глутамата даже при низком уровне притока кальция. Внутри терминали, как и в других синапсах, два иона кальция связываются с синаптотагмином , чтобы вызвать высвобождение везикул — для чашечек Held глутамат высвобождается в везикулах. В дополнение к высвобождению везикул ионы кальция подают сигнал терминалу чашечки вернуться в неактивное состояние. При притоке кальция фосфорилируется белок, связывающий элемент ответа цАМФ (CREB) , изменяя концентрацию калия внутри клетки, чтобы вернуть терминал в неактивное состояние. [14] Удаление кальция осуществляется различными способами, включая: удаление из терминала, попадание в митохондрии или связывание с белками, связывающими кальций, такими как парвальбумин и кальретинин . [12]
Ретроградная сигнализация необходима в чашечке Held для регулирования уровня кальция в пресинаптическом окончании. Активация метаботропных глутаматных рецепторов (mGluR) активирует вторичный мессенджер G-белка, который взаимодействует с кальциевыми каналами типа P/Q, чтобы уменьшить проводимость. Кроме того, размер пула везикул увеличивается, а вероятность высвобождения уменьшается. Другие методы пресинаптического торможения включают норадреналин, серотонин и аденозин — эти методы наблюдаются только в незрелых чашечках Held. [14]
Рецепторы глутамата присутствуют на постсинаптическом окончании – два типа включают ионотропные рецепторы AMPA и NMDA . Как возбуждающий нейротрансмиттер, глутамат почти всегда вызывает потенциал действия, запускаемый на постсинаптической стороне – дополнительно поощряемый низким внутренним натрием главных нейронов. [12] В зрелой чашечке рецепторы AMPA сосредоточены на главном нейроне, чтобы локализовать передачу для большей вероятности потенциала действия. Также обратите внимание, что вклад рецепторов глутамата NMDA-типа уменьшается после начала слуха. [12]
Механизм, лежащий в основе эндоцитоза синаптических везикул, изменяется по мере того, как чашечка становится более зрелой. Кальмодулин и кальциневрин в своей активной форме требуются для эндоцитоза везикул в незрелой чашечке; однако в зрелой чашечке ни кальмодулин, ни кальциневрин не нужны. Скорее, процесс опосредован энергией, создаваемой гидролизом ГТФ. [14] Для загрузки глутамата в везикулы на конце используются два белка: везикулярный транспортер глутамата 1 (VGLUT1) и VGLUT2.
Высокопороговые калиевые каналы в постсинаптической мембране обеспечивают быструю реполяризацию целевого нейрона. Низкопороговые калиевые каналы постсинаптического нейрона снижают возбудимость нейрона, чтобы ограничить его активацию только самым большим синаптическим входом(ами). [12]
Чашечка Хельда стала популярной модельной системой в области нейробиологии. Наличие этого синапса в нервной системе млекопитающих позволило проводить прямые исследования в модели млекопитающих, а большой размер упрощает электрофизиологическую регистрацию . По этим причинам он был популярен для понимания высвобождения трансмиттера.
В частности, чашечка Хельда используется по следующим причинам: [12]
