Дендритный шип - Dendritic spike

На рисунке А. показаны идеализированные фазы потенциала действия. Рисунок B. - запись фактического потенциала действия. N.B. Фактические записи потенциалов действия часто искажаются по сравнению со схематическим изображением из-за различий в электрофизиологический техники, использованные для записи.

В нейрофизиология, а дендритный шип относится к потенциал действия генерируется в дендрит из нейрон. Дендриты - это разветвленные продолжения нейрона. Они получают электрические сигналы, излучаемые проецирующимися нейронами, и передают эти сигналы телу клетки, или сома. Дендритная передача сигналов традиционно рассматривалась как пассивный режим передачи электрических сигналов. В отличие от своего аксон дендриты, которые могут генерировать сигналы через потенциалы действия, считали, что дендриты обладают способностью передавать электрические сигналы только физическими средствами: изменения проводимости, длины, площади поперечного сечения и т. д. Однако существование дендритных шипов было предложено и продемонстрировано W . Олден Спенсер, Эрик Кандел, Родольфо Ллинас и коллеги в 1960-х[1][2] и большой объем доказательств теперь ясно показывает, что дендриты являются активными нейронными структурами. Дендриты содержат потенциалзависимые ионные каналы, дающие им возможность генерировать потенциалы действия. Дендритные шипы были зарегистрированы во многих типах нейронов в мозг и считается, что они имеют большое значение для нейронной коммуникации, объем памяти, и учусь. Они являются одним из основных факторов долгосрочное потенцирование.

Дендритный спайк инициируется таким же образом, как и потенциал действия аксонов. Деполяризация дендритной мембраны вызывает открытие потенциалзависимых ионных каналов натрия и калия. Приток ионов натрия вызывает повышение напряжения. Если напряжение превышает определенный порог, натриевой ток активирует другие управляемые по напряжению натриевые каналы, передающие ток по дендриту. Дендритные шипы могут генерироваться как через натриевые, так и через кальциевые потенциалзависимые каналы. Дендритные шипы обычно передают сигналы гораздо медленнее, чем потенциалы действия аксонов.[3] Пороги местного напряжения для инициирования дендритных спайков обычно выше, чем пороги инициирования потенциала действия в аксоне; поэтому для инициирования всплеска обычно требуется сильный ввод.[4]

Каналы с ограничением по напряжению

Натриевый канал, управляемый напряжением

Схема α-субъединицы потенциочувствительного натриевого канала. G - гликозилирование, P - фосфорилирование, S - ионная селективность, I - инактивация, положительные (+) заряды в S4 важны для измерения трансмембранного напряжения.

Напряжение-управляемые натриевые каналы белки обнаруживается в мембране нейронов. Когда они электрически активированы, они позволяют перемещаться ионам натрия через плазматическая мембрана. Эти каналы отвечают за распространение электрических сигналов в нервных клетках. Управляемые напряжением натриевые каналы можно разделить на две субъединицы: альфа и бета. Было идентифицировано множество потенциалзависимых натриевых каналов альфа-субъединицы. Управляемые напряжением натриевые каналы, обнаруженные у млекопитающих, можно разделить на три типа: Nav1.x, Nav2.x и Nav3.x. Натриевые каналы Nav1.x связаны с Центральная нервная система. Nav1.1, Nav2.2 и Nav1.6 - три изоформы потенциал-управляемых натриевых каналов, которые присутствуют на высоких уровнях в центральной нервной системе мозга взрослой крысы.[5] Эти каналы хорошо известны в аксональной мембране центральной нервной системы. Nav1.2 был в основном идентифицирован в немиелинизированных аксонах, в то время как высокие концентрации Nav1.6 наблюдались в узлы Ранвье аксонов.[6] Nav1.6 был идентифицирован в дендритах нейронов CA1 гиппокампа, которые генерируют дендритные шипы; плотность Nav1.6 в этих нейронах в 35-80 раз ниже, чем в начальных сегментах аксонов.[7]

Распределение потенциалзависимых натриевых каналов вдоль дендритной мембраны играет решающую роль в способности дендритов распространять сигнал. Высокие пороги дендритной мембраны часто затрудняют инициирование дендритных спайков. Однако повышенная плотность потенциалзависимых натриевых каналов может уменьшить амплитуду сигнала, необходимого для инициирования всплеска. Кластеризация потенциал-управляемых натриевых каналов наблюдалась в синапсах бледный шар нейрон.[8] С помощью дендритных вычислительных моделей также было продемонстрировано, что пороговая амплитуда синаптической проводимости, необходимая для генерации дендритного шипа, значительно меньше, если потенциал-управляемые натриевые каналы сгруппированы в синапсе.[8] Один и тот же тип потенциалзависимых каналов может различаться по распределению между сомой и дендритом в одном и том же нейроне. Похоже, что не существует общей схемы распределения для потенциалозависимых каналов внутри дендритов. Различные нейрональные дендриты демонстрируют разные паттерны плотности, которые могут изменяться в процессе развития и могут модулироваться посредством нейротрансмиттеры.[4]

Кальциевый канал, управляемый напряжением

Как потенциалзависимые натриевые каналы, потенциалзависимые кальциевые каналы являются также интегральные мембранные белки обнаруживается в плазматической мембране. Управляемые напряжением кальциевые каналы генерируют потенциалы действия посредством тех же механизмов, что и управляемые напряжением натриевые каналы. В нейронах идентифицированы различные потенциалзависимые кальциевые каналы. Напряжение-управляемые кальциевые каналы N- и P / Q-типа являются основными подтипами, поддерживающими синаптическую передачу.[9] Эти каналы сосредоточены в нерв терминалы. В базальных дендритах были обнаружены потенциалзависимые кальциевые каналы T-типа и R-типа, и считается, что активация этих каналов во время всплесков потенциала действия приводит к генерации дендритных шипов кальция.[10] Каналы Т-типа и R-типа являются частью класса субъединиц альфа 1 кальциевых каналов.

Различные типы потенциалзависимых кальциевых каналов приводят к двум формам активации напряжения: кальциевым токам, активируемым низким напряжением (LVA) и активируемым высоким напряжением (HVA). В глубоких ядрах мозжечка кальциевые токи не распределены равномерно по дендриту.[11] Относительная сила кальциевых токов LVA значительно больше сосредоточена на дистальном конце дендритов. Неравномерное распределение кальциевых токов LVA предполагает важную роль кальциевых токов LVA в дендритной интеграции на синаптических входах.[11]

Калиевый канал, управляемый напряжением

Калиевый канал KcsA.

Управляемые по напряжению калиевые каналы представляют собой еще один набор управляемых по напряжению каналов, которые играют важную роль в инициировании дендритных спайков. Управляемые напряжением калиевые каналы, похожие на управляемые напряжением натриевые и кальциевые каналы, способствуют перемещению катионов через плазматическую мембрану. Но в отличие от потенциал-управляемых натриевых и кальциевых каналов, потенциал-управляемые калиевые каналы перемещают катионы из клетки, тем самым оказывая ингибирующее действие на инициирование дендритных спайков.

Импульсный калиевый канал A-типа, управляемый напряжением, является специфическим каналом, который играет ключевую роль в инициировании дендритных спайков. Плотность потенциалзависимых натриевых и кальциевых каналов одинакова как в дендритах, так и в аксонах; однако дендритная мембрана гораздо менее возбудима, чем аксональная мембрана.[12] Различие в возбудимости может быть связано с наличием этих потенциалзависимых калиевых каналов. Управляемые напряжением калиевые каналы подавляют способность дендритов генерировать потенциалы действия и уменьшают амплитуду дендритных шипов с увеличением расстояния от сомы. Способность потенциалзависимых калиевых каналов модулировать дендритную передачу сигналов может оказывать значительное влияние на синаптическая пластичность.

Инициирование шипа

Потенциал действия

Потенциалы действия, инициированные в аксоне, обычно перемещаются по аксону от сомы. Однако потенциал действия также может двигаться в противоположном направлении, вторгаться в сому и затем перемещаться по дендриту в виде дендритного шипа.[13] Этот ретроградный сигнал предоставляет синапсу информацию о том, что нейрон выпустил выходной сигнал.[4] Эффективность сигнала варьируется между разными типами нейронов. Например, обратное распространение потенциалов действия очень ограничено в мозжечке. Клетки Пуркинье[14] но довольно распространен в интернейроны среднего ганглиозного слоя мозжечковидной доли некоторых рыб.[15]

Синаптический вход

Потенциалы действия могут сначала генерироваться в дендрите, если стимулироваться сильными синхронными синаптическими входами.[16] Способность дендрита инициировать потенциал действия во многом зависит не только от синаптического входа, но также от количества управляемых по напряжению каналов и плотности управляемых по напряжению каналов, присутствующих в мембране.

Пространственное суммирование

Пирамидная клетка гиппокампа

Инициирование дендритного спайка через один сильный синаптический вход не гарантирует, что спайк будет надежно распространяться на большие расстояния.[17] Если одновременно активируются несколько синапсов, дендритные шипы могут образовываться через пространственное суммирование. Пространственное суммирование включает добавление нескольких входных сигналов, что приводит к более сильному сигналу и, возможно, дендритному всплеску. Было показано, что нейроны CA1 гиппокампа производят надежное распространение дендритных шипов посредством пространственного суммирования множественных синаптических входов. в гиппокамп нейроны CA1 содержат две отличительные области, которые получают возбуждающие синаптические входы: перфорантный путь (PP) через апикальный дендритный пучок (500-750 мкм от сомы) и коллатераль Шаффера (SC) через базальный и апикальный дендриты (250- 500 мкм от сомы).[17] Исследования показывают, что индивидуальной стимуляции PP или SC было недостаточно для того, чтобы дендритный спайк инициировал потенциал действия. Однако было показано, что, когда дендритный спайк произошел из-за стимуляции PP, наличие стимуляции SC определяло, будет ли сигнал распространяться на сому.[17]

Распространение шипа

Обратное распространение

Дендритные шипы чаще всего распространяются назад от сомы к дистальным дендритным ветвям.[нужна цитата ]. Обратное распространение выполняет ряд функций в нейроне, и эти функции зависят от типа нейрона. В общем, обратное распространение служит для передачи выходной информации постсинаптической мембране.[4] Во многих нейронах, высвобождающих нейротрансмиттеры, обратное распространение дендритных шипов сигнализирует о высвобождении нейромедиаторов.[18] Например, Митральные клетки кажется, они служат одновременно и проекционными нейронами, и локальными интернейронами. Если вывод аксонов митральной клетки прекращается соматическим ингибированием, локальные дендритные потенциалы действия заставляют митральную клетку выделять нейротрансмиттеры в окружающую среду.[18] Обратное распространение дендритных шипов было продемонстрировано в различных типах нейронов мозга, но редко изучалось за пределами мозга.[нужна цитата ]. Помимо нейронов в головном мозге, дендритные спайки наблюдались в нейронах спинного мозга.[нужна цитата ].

Прямое распространение

Прямое распространение дендритных шипов инициируется из-за синаптической активности и служит для усиления сигналов, которые могут не достигать сомы посредством пассивной передачи.[17] Сила синаптической стимуляции, необходимая для генерации дендритного шипа, варьируется для разных типов нейронов. Нейроны, которые получают относительно мало входов, не могут полагаться на пространственное суммирование и, следовательно, должны полагаться на более сильные синаптические входы. Некоторые относительно неразветвленные нейроны, такие как нейрон бледного шара, обходят потребность в сильном синаптическом входе за счет увеличения концентрации потенциалзависимых натриевых каналов в синапсе.[8] Другие более разветвленные нейроны, такие как пирамидные нейроны, полагаются на пространственное суммирование нескольких входов для генерации распространяющихся вперед дендритных шипов. Прямое распространение недостаточно изучено, и этому вопросу посвящено много исследований.[нужна цитата ]. По мнению большинства экспертов

что это явление не происходит в нейронах вне мозга.

Пластичность, зависящая от времени всплеска

Схема химического синапса между аксоном одного нейрона и дендритом другого.

Пластичность, зависящая от времени всплеска (STDP) относится к функциональным изменениям в нейроне и его синапсе из-за зависящих от времени потенциалов действия. Когда потенциал действия достигает пресинаптической мембраны, он открывает потенциалзависимые кальциевые каналы, вызывая приток кальция. Приток кальция высвобождает везикулы, заполненные нейротрансмиттерами, обычно глутаматом, в синаптическая щель. Нейротрансмиттеры связываются с рецепторами на постсинаптической мембране, открывая лиганд-зависимые каналы, вызывая деполяризацию мембраны.

NMDA рецепторы находятся по всей постсинаптической мембране и действуют как детектор совпадений. NMDA обнаруживает как глутамат, высвобождаемый пресинаптическими пузырьками, так и деполяризацию постсинаптической мембраны. Рецептор NMDA демонстрирует зависимую от напряжения блокировку ионами магния. Деполяризация постсинаптической мембраны (т. Е. Распространяющаяся в обратном направлении дендритная спайка) вызывает удаление иона магния из канала, способствуя открытию канала. Таким образом, активация рецептора NMDA обеспечивает приток кальция. Нейроны, которые «соединяются вместе», относятся к усилению синаптических связей через рецепторы NMDA, когда высвобождение глутамата совпадает с постсинаптической деполяризацией.[3] Эта форма подключения известна как долгосрочное потенцирование. Синаптическая связь также может быть ослаблена, когда активность нейронов не коррелирована, также известная как длительная депрессия.

Зависимость постсинаптической деполяризации при STDP указывает на важность дендритных шипов. В общем, постсинаптическая деполяризация происходит одновременно с пресинаптической активностью, когда сигнал, распространяющийся в обратном направлении, достигает постсинаптической мембраны. Дендритные шипы позволяют сигналам, распространяющимся в обратном направлении, достигать и деполяризовать постсинаптическую мембрану. Усиление и ослабление синаптических связей - один из предложенных методов формирования памяти и обучения.

Экспериментальные методы

Двухфотонное извлечение глутамата

Двухфотонная распаковка глутамата, тип фотостимуляция, стал основным инструментом для изучения дендритных шипов благодаря высокому уровню точности.[19]

Патч зажим

Прикрепленный к клетке патч-зажим использует микропипетку, прикрепленную к клеточной мембране, чтобы обеспечить запись из одного ионного канала.

Патч зажим запись используется для измерения электрической активности нейронов. В этом методе используется стеклянная микропипетка с открытым наконечником диаметром один микрометр для отсасывания мембраны клетки. Пипетка заполняется ионным раствором, и в раствор помещается серебряная проволока для проведения и усиления электрических сигналов. Ионный раствор можно варьировать, а лекарства можно доставлять через микропипетку, чтобы изучить влияние тока в различных условиях. Антагонисты рецепторов и потенциал-управляемых каналов часто применяются (например, никель, используемый для блокирования рецепторов NMDA), чтобы изучить влияние ионных каналов на инициирование дендритных спайков.[10] Подача тока часто сочетается с записью фиксации сигнала, чтобы наблюдать модуляцию тока из-за различных экспериментальных факторов.

Внеклеточная электрофизиология

Запись тетрода также было показано, что методы иногда позволяют наблюдать дендритные мембранные потенциалы и дендритные потенциалы действия.[20] Интересно, что парадигма хронической записи, которая продемонстрировала это, также показала, что свойства дендритного напряжения проявляют эгоцентрические свойства. пространственные карты сравнимо с пирамидными нейронами. Это редкое явление может быть связано с глиальный оболочка[21] формируется вокруг концов тетродов, создавая море с высоким сопротивлением, подобное гигаомное уплотнение в патч записи, что позволяет проводить такие небольшие и локализованные измерения напряжения.

Окрашивание и маркировка

Окрашивание и маркировка методы часто используются в микроскопии, чтобы помочь идентифицировать определенные структуры в клетке. Окрашивание обычно предполагает использование красителей, которые поглощаются различными клеточными структурами с разной скоростью. Маркировка предполагает использование флуоресценция для идентификации конкретных молекул. Флуорофоры флуоресцентные молекулы могут быть непосредственно присоединены к антителу или прикреплены к нему для обнаружения конкретной мишени. В случае дендритных шипов окрашивание и маркировка используются для идентификации и количественной оценки наличия определенных потенциал-управляемых каналов. Например, кроличьи поликлональные антитела, индуцированные против синтетических пептидных последовательностей, использовали для идентификации присутствия натриевых каналов Nav1.2, Nav1.3 и Nav1.6 в дендритах нейрона бледного шара.[8]

Вычислительное моделирование

Вычислительное моделирование нейронов, искусственная нейронная сеть, стал очень популярным инструментом для исследования свойств нейрональной передачи сигналов. Эти модели основаны на биологических нейронных сетях. Вычислительное моделирование можно использовать для изучения отдельных нейронов, групп нейронов или даже сетей нейронов. Эта область вызвала большой интерес и служит инструментом для всех областей нейробиологических исследований, включая инициирование дендритных спайков.

Рекомендации

  1. ^ Spencer, W.A .; Кандел, Э. Р. (1961). "Электрофизиология нейронов гиппокампа: IV. Быстрые препотенциалы". Журнал нейрофизиологии. 24 (3): 272–285. Дои:10.1152 / ян.1961.24.3.272. ISSN  0022-3077. PMID  25286477.
  2. ^ Llinás, R .; Николсон, К .; Freeman, J. A .; Хиллман, Д. Э. (1968-06-07). «Дендритные шипы и их ингибирование в клетках Пуркинье аллигатора». Наука. 160 (3832): 1132–1135. Bibcode:1968Sci ... 160.1132L. Дои:10.1126 / science.160.3832.1132. ISSN  0036-8075. PMID  5647436. S2CID  27657014.
  3. ^ а б Кампа BM, Letzkus JJ, Стюарт GJ. 2007. Дендритные механизмы, контролирующие синаптическую пластичность, зависящую от времени спайков. Тенденции в неврологии 30: 456-63 Дои:10.1016 / j.tins.2007.06.010
  4. ^ а б c d Häusser M, Spruston N, Stuart GJ. 2000. Разнообразие и динамика дендритной передачи сигналов. Наука 290: 739-744 Дои:10.1126 / наука.290.5492.739
  5. ^ Гольдин АЛ. 1999. Разнообразие потенциалзависимых натриевых каналов млекопитающих. Анналы Нью-Йоркской академии наук 868: 38-50 Дои:10.1111 / j.1749-6632.1999.tb11272.x
  6. ^ Колдуэлл Дж. Х., Шаллер К. Л., Лашер Р. С. и др. 2000. Натриевый канал Nav1.6 локализован в узлах ранвье, дендритах и ​​синапсах. Труды Национальной академии наук 97.10: 5616-5620
  7. ^ Лоринц А, Нуссер З (2010). «Молекулярная идентичность дендритных потенциалзависимых натриевых каналов». Наука. 328 (5980): 906–9. Bibcode:2010Sci ... 328..906L. Дои:10.1126 / science.1187958. ЧВК  3546315. PMID  20466935.
  8. ^ а б c d Hanson JE, Smith Y, Jaeger D. 2004. Натриевые каналы и инициация дендритных спайков в возбуждающих синапсах в нейронах бледного шара. Журнал неврологии 24: 329-40
  9. ^ Дельфин AC. 2006. Краткая история потенциалзависимых кальциевых каналов. Британский журнал фармакологии 147: S56-S62
  10. ^ а б Кампа BM, Letzkus JJ, Стюарт GJ. 2006. Потребность в дендритных кальциевых шипах для индукции синаптической пластичности, зависящей от времени спайков. Журнал физиологии 574.1: 283-290
  11. ^ а б Гаук В., Томанн М., Джегер Д. и др. 2001. Пространственное распределение кальциевых токов, активируемых низким и высоким напряжением, в нейронах глубоких ядер мозжечка. Журнал неврологии 21: 1-4
  12. ^ Хоффман Д.А., Маги Дж. К., Колберт С. М. и др. К + канал регуляции распространения сигнала в дендритах пирамидного нейрона гиппокампа. Природа 387: 869-875
  13. ^ Ма Дж., Лоу Г. 2004. Обратное распространение потенциала действия и мультигломерулярная передача сигналов в вомероназальной системе крыс. Журнал неврологии 24 (42): 9341-9352
  14. ^ Ллинас Р., Сугимори М. 1980. Электрофизиологические свойства дендритов клеток Пуркинье in vitro в срезах мозжечка млекопитающих. Журнал физиологии 305: 197-213
  15. ^ Гомес Л., Канневорфф М., Буделли Р., Грант К. 2005. Обратное распространение дендритных шипов в электросенсорной доле Gnathonemus petersii. Журнал экспериментальной биологии 208: 141-55
  16. ^ Golding NL, Spruston N. 1998. Дендритные натриевые шипы являются переменными триггерами аксональных потенциалов действия в пирамидных нейронах CA1 гиппокампа. Нейрон 21: 1189-1200
  17. ^ а б c d Jarsky T, Roxin A, Kath WL, Spruston N. 2005. Условное распространение дендритных шипов после дистальной синаптической активации пирамидных нейронов CA1 гиппокампа. Nature Neuroscience 8: 1667-76
  18. ^ а б Чен В.Р., Шен Г.Ю., Шеперд Г. и др. 2002. Множественные способы инициации и распространения потенциала действия в первичных дендритах митральных клеток. Журнал нейрофизиологии 88: 2755-2764
  19. ^ Юдкевиц, Бенджамин; Рот, Арнд; Хаусер, Михаэль (20 апреля 2006 г.). «Дендритное просветление: использование узорчатого двухфотонного распаковывания для раскрытия секретов мельчайших дендритов мозга». Нейрон. 50 (2): 180–183. Дои:10.1016 / j.neuron.2006.04.011. ISSN  0896-6273. PMID  16630828.
  20. ^ Мур, Джейсон Дж .; Ravassard, Pascal M .; Хо, Дэвид; Ачарья, Лаванья; Kees, Ashley L .; Вуонг, Клифф; Мехта, Маянк Р. (24.03.2017). «Динамика потенциала корковой дендритной мембраны и спайков у свободно ведущих крыс». Наука. 355 (6331): eaaj1497. Дои:10.1126 / science.aaj1497. ISSN  1095-9203. PMID  28280248. S2CID  33117933.
  21. ^ Поликов, Вадим С .; Треско, Патрик А .; Райхерт, Уильям М. (2005-10-15). «Реакция ткани мозга на хронически имплантированные нервные электроды». Журнал методов неврологии. 148 (1): 1–18. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2005.08.015. ISSN  0165-0270. PMID  16198003. S2CID  11248506.