Эпаптическая связь - Ephaptic coupling

Эпаптическая связь это форма общения внутри нервная система и отличается от систем прямой связи, таких как электрические синапсы и химические синапсы. Это может относиться к соединению соседних (соприкасающихся) нервных волокон, вызванному обменом ионами между клетками, или может относиться к соединению нервных волокон в результате локальных электрических полей.[1] В любом случае эпаптическая связь может влиять на синхронизацию и время потенциал действия стрельба в нейронах. Миелинизация считается, что подавляет эпаптические взаимодействия.[2]

История и этимология

Идея о том, что электрическая активность, генерируемая нервной тканью, может влиять на активность окружающей нервной ткани, возникла в конце 19 века. Ранние эксперименты, такие как эксперименты дю Буа-Реймона,[3] продемонстрировали, что возбуждение первичного нерва может вызвать возбуждение соседнего вторичного нерва (так называемое «вторичное возбуждение»). Однако количественно этот эффект не исследовался до экспериментов Каца и Шмитта.[4] в 1940 году, когда они исследовали электрическое взаимодействие двух соседних нервов конечностей краба Carcinus maenas. Их работа продемонстрировала, что развитие потенциал действия в активном аксоне вызывали изменения возбудимости в неактивном аксоне. Эти изменения были связаны с местные токи которые формируют потенциал действия. Например, токи, вызвавшие деполяризацию (возбуждение) активного нерва, вызывали соответствующую гиперполяризацию (депрессию) соседнего покоящегося волокна. Точно так же токи, вызвавшие реполяризацию активного нерва, вызывали небольшую деполяризацию в покоящемся волокне. Кац и Шмитт также заметили, что стимуляция обоих нервов может вызывать интерференционные эффекты. Воспламенение потенциала одновременного действия вызвало помехи и привело к уменьшению скорость проводимости, в то время как стимуляция с небольшим смещением привела к синхронизации двух импульсов.

В 1941 г. Арванитаки [5] исследовал ту же тему и предложил использовать термин «эфапса» (от греч. эпапсис и означает «прикоснуться»), чтобы описать это явление и отличить его от синаптической передачи. Со временем термин эпаптическая связь стал использоваться не только в случаях электрического взаимодействия между соседними элементами, но и в более общем плане для описания эффектов, вызванных любыми изменениями поля вдоль клеточной мембраны.[6]

Механизм и эффекты

Роль в возбуждении и торможении

Ранняя работа, выполненная Кацем и Шмиттом, продемонстрировала, что эпаптическая связь между двумя соседними нервами недостаточна для стимуляции потенциала действия в нерве покоя. В идеальных условиях максимальная наблюдаемая деполяризация составляла примерно 20% от пороговый стимул.[4] Однако условиями можно управлять таким образом, чтобы потенциал действия от одного нейрона мог распространяться на соседний нейрон. Это было достигнуто в одном исследовании в двух экспериментальных условиях: повышенная концентрация кальция, которая снижает пороговый потенциал, или погружение аксонов в минеральное масло, которое увеличивает сопротивление. Хотя эти манипуляции не отражают нормальных условий, они подчеркивают механизмы, лежащие в основе эпаптического возбуждения.[7]

Было обнаружено, что эпаптическое сцепление играет важную роль в ингибировании соседних нейронов. Было обнаружено, что в зависимости от местоположения и идентичности нейронов в основе подавления функции печени лежат различные механизмы. В одном исследовании недавно возбужденные соседние нейроны вмешивались в уже устойчивые токи, тем самым снижая внеклеточный потенциал и деполяризуя нейрон по отношению к окружающей среде, эффективно подавляя распространение потенциала действия.[8]

Роль в синхронизации и времени

Исследования эпаптической связи также сосредоточены на ее роли в синхронизации и выборе времени потенциалов действия в нейронах. В более простом случае соседние волокна, которые испытывают одновременную стимуляцию, импульс замедляется, потому что оба волокна ограничены обменом ионами только с интерстициальной жидкостью (увеличивая сопротивление нерва). Слегка смещенные импульсы (скорости проводимости отличаются менее чем на 10%) могут конструктивно обмениваться ионами, и потенциалы действия распространяются немного в противофазе с той же скоростью.

Однако более поздние исследования были сосредоточены на более общем случае электрических полей, которые влияют на различные нейроны. Было замечено, что потенциалы локального поля в корковых нейронах может служить для синхронизации нейрональной активности.[9] Хотя механизм неизвестен, предполагается, что нейроны эпаптически связаны с частотами потенциала локального поля. Это соединение может эффективно синхронизировать нейроны в периоды повышенной возбудимости (или депрессии) и допускать определенные паттерны распределения потенциала действия (часто называемые временем спайков). Этот эффект был продемонстрирован и смоделирован во множестве случаев.[10][11]

Гипотезой или объяснением этого механизма является эффект «односторонней», «ведущий-ведомый» или «однонаправленной синхронизации» как математическое и фундаментальное свойство нелинейных динамических систем (осцилляторов, таких как нейроны) для синхронизации при определенных критериях. Такое явление было предложено и предсказано как возможное между двумя нейронами HR, начиная с 2010 года при моделировании и моделировании Hrg.[12] Также было показано, что такая однонаправленная синхронизация или передача копий / вставок нейронной динамики от главного к подчиненным нейронам может проявляться по-разному. Следовательно, это явление представляет не только фундаментальный интерес, но и прикладное значение - от лечения эпилепсии до новых систем обучения. Синхронизация нейронов в принципе является нежелательным поведением, так как мозг будет иметь нулевую информацию или будет просто лампочкой, если все нейроны будут синхронизироваться. Следовательно, это гипотеза о том, что нейробиология и эволюция мозга справились со способами предотвращения такого синхронного поведения в больших масштабах, используя его скорее в других частных случаях.

Примеры

Сердечная ткань

В электрическая проводящая система сердца был надежно установлен. Однако новые исследования поставили под сомнение некоторые из ранее принятых моделей. Роль эпаптического сцепления в сердечных клетках становится все более очевидной. Один автор даже заходит так далеко, что заявляет: «Хотя раньше эпаптическая связь рассматривалась как возможная альтернатива электротонической связи, с тех пор она стала рассматриваться как работающая в тандеме с щелевыми соединениями, помогая поддерживать проводимость, когда соединение щелевых соединений нарушено».[13] Эпаптические взаимодействия между сердечными клетками помогают заполнить пробелы, которые не могут объяснить только электрические синапсы. Существует также ряд математических моделей, которые в последнее время включают эпаптическую связь в предсказания электрической проводимости сердца.[14] Экспериментальная работа предполагает, что богатые натриевыми каналами нанодомены, расположенные в местах тесного контакта между сердечными миоцитами, могут составлять функциональные единицы эпаптического взаимодействия, а избирательное разрушение этих нанодоменов приводит к замедлению аритмогенной проводимости, предполагая важную роль эпаптического взаимодействия в сердце.[15]

Эпилепсия и судороги

Эпилептические припадки возникают, когда в мозгу есть синхронность электрических волн. Зная роль, которую играет эпаптическая связь в поддержании синхронности электрических сигналов, имеет смысл искать эпаптические механизмы при этом типе патологии. Одно исследование показало, что корковые клетки представляют собой идеальное место для наблюдения эпаптического взаимодействия из-за плотной упаковки аксонов, которая позволяет взаимодействовать между их электрическими полями. Они проверили влияние изменения внеклеточного пространства (которое влияет на локальные электрические поля) и обнаружили, что можно заблокировать эпилептическую синхронизацию независимо от химических манипуляций синапсами, просто увеличив пространство между клетками.[16] Позже была создана модель, чтобы предсказать это явление, и были показаны сценарии с большим межклеточным интервалом, которые эффективно блокировали эпилептическую синхронизацию в мозге.[17]

Обонятельная система головного мозга

Нейроны в обонятельной системе немиелинизированы и плотно упакованы, поэтому часто более заметны небольшие эффекты эпаптического сцепления. Ряд исследований показал, как ингибирование нейронов в обонятельной системе работает для тонкой настройки интеграции сигналов в ответ на запах. Было показано, что это торможение происходит только от изменений электрических потенциалов.[8] Добавление эпаптической связи к моделям обонятельных нейронов добавляет дополнительную поддержку модели «выделенной линии», в которой каждый обонятельный рецептор посылает свой сигнал одному нейрону. Торможение, вызванное эпаптической связью, помогло бы учесть интеграцию сигналов, которая приводит к более тонкому восприятию запахов.[18]

Математические модели

Из-за очень малых электрических полей, создаваемых нейронами, математические модели часто используются для проверки ряда манипуляций. Теория кабеля является одним из важнейших математических уравнений в нейробиологии.[19] Он вычисляет электрический ток, используя в качестве переменных емкость и сопротивление, и был основной основой для многих предсказаний об эпаптической связи в нейронах. Однако многие авторы работали над созданием более совершенных моделей, чтобы более точно представить среду нервной системы. Например, многие авторы предложили модели сердечной ткани, которые включают дополнительные переменные, которые учитывают уникальную структуру и геометрию сердечных клеток. [14] различные масштабы размеров,[20] или трехмерная электродиффузия.[21]

Модели животных

Гигантские аксоны кальмаров

В 1978 году основные испытания проводились на аксонах гигантских кальмаров, чтобы найти доказательства эпаптических явлений. Было показано, что потенциал действия одного аксона может передаваться на соседний аксон. Уровень передачи варьировал от подпороговых изменений до инициирования потенциала действия в соседней клетке, но во всех случаях было очевидно, что есть последствия эпаптического сцепления, которые имеют физиологическое значение.[7]

Спинной и продолговатый мозг крысы

В одном исследовании изучались эффекты эпаптической связи с использованием антагонистов нейротрансмиттеров для блокирования химических синапсов и блокаторов щелевых соединений для блокировки электрических синапсов. Было обнаружено, что ритмичный электрический разряд, связанный с нейронами плода в спинном мозге и мозговом веществе крысы, все еще сохраняется. Это говорит о том, что связи между нейронами все еще существуют и работают для распространения сигналов даже без традиционных синапсов. Эти результаты подтверждают модель, в которой эпаптическая связь работает вместе с каноническими синапсами для распространения сигналов по нейронным сетям.[22]

Крысы Пуркинье клетки мозжечка

Один из немногих известных случаев функциональной системы, в которой эпаптическая связь отвечает за наблюдаемое физиологическое событие, - это Клетки Пуркинье мозжечка крысы.[23] В этом исследовании было продемонстрировано, что корзины которые инкапсулируют некоторые участки волокон Пуркинье, могут оказывать ингибирующее действие на клетки Пуркинье. Возбуждение этих корзиночных клеток, которое происходит быстрее, чем в клетках Пуркинье, пропускает ток через клетку Пуркинье и генерирует пассивный гиперполяризующий потенциал, который подавляет активность клетки Пуркинье. Хотя точная функциональная роль этого ингибирования все еще не ясна, оно вполне может иметь синхронизирующий эффект в клетках Пуркинье, поскольку эпаптический эффект ограничивает время возбуждения.

Подобный эпоптический эффект изучался в Клетки Маутнера из костистые кости.[24]

Скептицизм

Хотя идея несинаптических взаимодействий между нейронами существует с XIX века, исторически в области нейробиологии было много скептицизма. Многие люди считали, что микрополя, создаваемые самими нейронами, настолько малы, что ими можно пренебречь.[18] В то время как многие сторонники теории эпаптической связи пытались доказать ее существование с помощью экспериментов, блокирующих как химические, так и электрические синапсы, все же некоторые противники в этой области выражают осторожность. Например, в 2014 году один ученый опубликовал обзор, в котором представлен его скептицизм по поводу идеи эпаптической связи, заявив: «Согласие между их моделированием и данными Пельзинга впечатляет, но мне потребуется более определенное экспериментальное подтверждение, прежде чем я смогу принять эпаптическое соединение. гипотеза ». [25] Он обосновывает свое предостережение тем, что хочет большего различия между распространением заряда через щелевые соединения и истинной эпаптической связью. Будь то истинное отсутствие доказательств или просто упорство перед лицом изменений, многие в этой области до сих пор не полностью уверены в наличии однозначных доказательств эпаптической связи. Исследования продолжаются, и в 2018 году были объявлены неожиданные результаты.[26][требуется дальнейшее объяснение ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аур Д., Джог, МС. (2010) Нейроэлектродинамика: понимание языка мозга, IOS Press, Дои:10.3233 / 978-1-60750-473-3-я
  2. ^ Hartline DK (май 2008 г.). «Что такое миелин?». Биология нейронной глии. 4 (2): 153–63. Дои:10.1017 / S1740925X09990263. PMID  19737435.
  3. ^ Вильгельм Бидерманн (1898). Электрофизиология. Макмиллан. С. 270–.
  4. ^ а б Кац Б., Шмитт О.Н. (февраль 1940 г.). «Электрическое взаимодействие между двумя соседними нервными волокнами». J. Physiol. (Лонд.). 97 (4): 471–88. Дои:10.1113 / jphysiol.1940.sp003823. ЧВК  1393925. PMID  16995178.
  5. ^ Арванитаки А (1942). «Эффекты, вызванные в аксоне деятельностью смежного». Журнал нейрофизиологии. 5 (2): 89–108. Дои:10.1152 / ян.1942.5.2.89. ISSN  0022-3077.
  6. ^ Джефферис Дж. Г. (октябрь 1995 г.). «Несинаптическая модуляция нейрональной активности в головном мозге: электрические токи и внеклеточные ионы». Physiol. Rev. 75 (4): 689–723. Дои:10.1152 / Physrev.1995.75.4.689. PMID  7480159.
  7. ^ а б Рамон Ф., Мур Дж. В. (1978). «Эпаптическая передача в аксонах гигантских кальмаров». Являюсь. J. Physiol. 234 (5): C162–9. Дои:10.1152 / ajpcell.1978.234.5.C162. PMID  206154.
  8. ^ а б Ван дер Гус ван Натерс W (2013). «Ингибирование среди нейронов обонятельных рецепторов». Front Hum Neurosci. 7: 690. Дои:10.3389 / fnhum.2013.00690. ЧВК  3805947. PMID  24167484.
  9. ^ Анастассиу К.А., Перин Р., Маркрам Х., Кох С. (февраль 2011 г.). «Эпаптическое сцепление корковых нейронов». Nat. Неврологи. 14 (2): 217–23. Дои:10.1038 / № 2727. PMID  21240273. S2CID  7836328. (прямая ссылка на полный текст )
  10. ^ Радман Т., Су И, Ан Дж. Х., Парра Л. К., Биксон М. (март 2007 г.). «Время спайков усиливает действие электрических полей на нейроны: последствия для эффектов эндогенного поля». J. Neurosci. 27 (11): 3030–6. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.0095-07.2007. ЧВК  6672570. PMID  17360926.
  11. ^ Анастассиу К.А., Монтгомери С.М., Бараона М., Бужаки Г., Кох С. (февраль 2010 г.). «Влияние пространственно-неоднородных внеклеточных электрических полей на нейроны». J. Neurosci. 30 (5): 1925–36. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.3635-09.2010. ЧВК  6633973. PMID  20130201.
  12. ^ Hrg D (апрель 2013 г.). «Синхронизация двух нейронов Hindmarsh-Rose с однонаправленной связью». Нейронная сеть. 40: 73–9. Дои:10.1016 / j.neunet.2012.12.010. PMID  23454921.
  13. ^ Веерарагхаван Р., Гурди Р., Поелзинг С. (март 2014 г.). «Механизмы сердечной проводимости: история исправлений». Являюсь. J. Physiol. Heart Circ. Физиол. 306 (5): H619–27. Дои:10.1152 / ajpheart.00760.2013. ЧВК  3949060. PMID  24414064.
  14. ^ а б Лин Дж, Кинер ДжП (2010). «Моделирование электрической активности клеток миокарда с учетом эффектов эпаптической связи». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 107 (49): 20935–40. Bibcode:2010PNAS..10720935L. Дои:10.1073 / pnas.1010154107. ЧВК  3000303. PMID  21078961.
  15. ^ Веерарагхаван Р., Хукер Г.С., Альварес-Лавиада А., Хоугланд Д., Ван X, Кинг Д.Р., Санчес-Алонсо Дж., Чен С., Журдан Дж., Исом Л.Л., Дешен I, Смит Дж. В., Горелик Дж., Поелцинг С., Гурди Р. ). «Адгезионная функция бета-субъединицы натриевого канала (β1) способствует распространению сердечного потенциала действия». eLife. 7. Дои:10.7554 / eLife.37610. ЧВК  6122953. PMID  30106376.
  16. ^ Дудек Ф. Е., Ясумура Т., Раш Дж. Э. (ноябрь 1998 г.). "'Несинаптические механизмы в припадках и эпилептогенезе ». Cell Biol. Int. 22 (11–12): 793–805. Дои:10.1006 / cbir.1999.0397. PMID  10873292. S2CID  2092166.
  17. ^ Стейси Р., Гильберт Л., Перепел Т. (май 2015 г.). «Вычислительное исследование синхронности в полях и микрокластерах эпаптически связанных нейронов». J. Neurophysiol. 113 (9): 3229–41. Дои:10.1152 / jn.00546.2014. ЧВК  4440237. PMID  25673735.
  18. ^ а б Бокил Х., Лаарис Н., Блиндер К., Эннис М., Келлер А. (октябрь 2001 г.). «Эпаптические взаимодействия в обонятельной системе млекопитающих». J. Neurosci. 21 (20): RC173. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.21-20-j0004.2001. ЧВК  6763860. PMID  11588203.
  19. ^ Бедар С., Дестекс А. (август 2013 г.). «Обобщенная кабельная теория для нейронов в сложных и гетерогенных средах». Phys Rev E. 88 (2): 022709. arXiv:1304.5674. Bibcode:2013PhRvE..88b2709B. Дои:10.1103 / PhysRevE.88.022709. PMID  24032866. S2CID  16729315.
  20. ^ Hand PE, Гриффит BE (август 2010 г.). «Адаптивная многомасштабная модель для моделирования сердечной проводимости». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 107 (33): 14603–8. Bibcode:2010PNAS..10714603H. Дои:10.1073 / pnas.1008443107. ЧВК  2930419. PMID  20671202.
  21. ^ Мори Ю., Фишман Г. И., Пескин С. С. (апрель 2008 г.). «Эпаптическая проводимость в модели сердечного тяжа с трехмерной электродиффузией». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 105 (17): 6463–8. Bibcode:2008ПНАС..105.6463М. Дои:10.1073 / pnas.0801089105. ЧВК  2359793. PMID  18434544.
  22. ^ Рен Дж., Момосе-Сато Й., Сато К., Грир Дж. Дж. (Январь 2006 г.). «Ритмичный нейрональный разряд в продолговатом и спинном мозге плодных крыс при отсутствии синаптической передачи». J. Neurophysiol. 95 (1): 527–34. Дои:10.1152 / ян.00735.2005. PMID  16148265.
  23. ^ Корн Х, Аксельрад Х (октябрь 1980 г.). «Электрическое ингибирование клеток Пуркинье в мозжечке крысы». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 77 (10): 6244–7. Bibcode:1980PNAS ... 77.6244K. Дои:10.1073 / pnas.77.10.6244. ЧВК  350252. PMID  6255484.
  24. ^ Faber DS, Korn H (июль 1989 г.). «Эффекты электрического поля: их актуальность в центральных нейронных сетях». Physiol. Rev. 69 (3): 821–63. Дои:10.1152 / Physrev.1989.69.3.821. PMID  2546168.
  25. ^ Рот Би Джей (февраль 2014 г.). «Способствует ли эпаптическая связь распространению в сердечной ткани?». Биофиз. J. 106 (4): 774–5. Bibcode:2014BpJ ... 106..774R. Дои:10.1016 / j.bpj.2014.01.011. ЧВК  3944891. PMID  24559978.
  26. ^ Чанг, Чиа-Чу; Shivacharan, Rajat S .; Вэй, Силе; Гонсалес-Рейес, Луис Э .; Дюран, Доминик М. (2019). «Медленная периодическая активность в продольном срезе гиппокампа может самораспространяться несинаптически по механизму, совместимому с эпаптическим сцеплением». Журнал физиологии. 597 (1): 249–269. Дои:10.1113 / JP276904. ЧВК  6312416. PMID  30295923.