Перинейрональная сеть - Perineuronal net

А. Перинейрональные сети изготавливаются из хондроитинсульфат протеогликаны (CSPG). Здесь CSPG нейрокан, Versican, бревикан, и Аггрекан нековалентно связаны с гиалуронан. Ассоциации возникают между другими CSPG через тенасцин (Т, треугольники). Тенасцин, в свою очередь, связывается с CS гликозаминогликаны (красные линии), а также CSPG на клеточной поверхности. Фосфакан может также связываться с рецепторами клеточной поверхности, такими как NCAM. Б. Применение хондроитиназы ABC (ChABC) разрушает все гликозаминогликаны CS (красные линии), а также гиалуронан (розовая линия), вызывая серьезные нарушения в структуре перинейрональной сети. Эти нарушения могут позволить аксонам проникнуть в освободившееся пространство и восстановить пластичность нейронов.

Перинейрональные сети (PNN) являются специализированными внеклеточный матрикс структуры, ответственные за синаптическая стабилизация во взрослом мозге.[1] PNN встречаются в некоторых нейрон тела клеток и проксимальные невриты в Центральная нервная система. PNN играют решающую роль в закрытии детства критический период, и их переваривание может вызвать восстановление, подобное критическому периоду синаптическая пластичность во взрослом мозге. Они в значительной степени заряжены отрицательно и состоят из хондроитинсульфат протеогликаны, молекулы, которые играют ключевую роль в развитии и пластичность во время послеродового развития и у взрослых.

PNN в основном присутствуют в кора, гиппокамп, таламус, мозговой ствол, а спинной мозг. Исследования мозга крысы показали, что кора головного мозга содержит большое количество PNN в мотор и первичный сенсорный области и относительно меньше в ассоциация и лимбический кора.[2] В коре головного мозга PNN в основном связаны с тормозящий интернейроны и считаются ответственными за поддержание возбуждающий /тормозящий баланс во взрослом мозге.[3]

История

Существование PNN было установлено Гольджи, Лугаро, Донаджо, Мартинотти, Рамон-и-Кахаль и Мейер. Тем не менее, Рамон-и-Кахаль приписывает Гольджи открытие PNN, потому что он первым привлек к ним внимание и дал первое точное описание в 1893 году. Более того, Гольджи вызвал интерес к предмету из-за своего мнения, что PNN не была нейронной. структура, а скорее "своего рода корсет нейрокератин которые препятствовали распространению тока от клетки к клетке ". Несмотря на споры по этой теме, Рамон-и-Кахаль утверждал, что перинейрональная сеть была просто окрашивающим артефактом, полученным в результате коагуляции внеклеточных жидкостей. В связи с его влиятельным мнением в то время, интерес к тема затихла.

Интерес возник в 1960-х годах, когда несколько авторов обратили внимание на наличие периодическая кислота-Шифф -положительный (PAS-положительный) материал, окружающий нервные клетки. Предполагалось, что этот PAS-положительный материал состоит из отрицательно заряженных веществ, таких как хондроитинсульфат протеогликаны (CSPG). Однако авторы придерживались идеи, что материал неразрывно связан с гематоэнцефалический барьер и не смог увидеть сходства с перинейрональной сетью, описанной Гольджи. Интерес вновь возрос только в последние несколько десятилетий, когда было обнаружено, что PNN являются маркерами физиологически зрелых нейронов.[4]

Сочинение

PNN состоят из сжатой матрицы хондроитинсульфат протеогликаны, молекулы, которые состоят из основного белка и гликозаминогликан (GAG) цепочка. Цепи CS-GAG, связанные с PNN, отличаются от тех, которые обнаружены плавающими во внеклеточном матриксе в неконденсированной форме. PNN состоят из бревикан, нейрокан, Versican, Аггрекан, фосфакан, гиалуронан, тенасцин-R и различные связывающие белки. CSPG аггрекан, версикан, нейрокан, бревикан и фосфакан связаны с гиалуронаном. Многие компоненты PNN также экспрессируются в головном мозге другими формами ECM. Аггрекан избирательно экспрессируется в PNN и необходим для построения и поддержания PNN.[5]. PNN, обнаруженные как в головном, так и в спинном мозге, имеют одинаковый состав.[6] Хондроитиназа ABC (ChABC), бактериальный фермент, обычно используемый для переваривания CSPG, работает, катализируя удаление цепей CS-GAG CSPG.[2], поэтому он не является избирательным для PNN. Мутантные мыши с дефицитом тенасцина-R или связующего белка имеют ослабленные PNN,

В коре и других подкорковых областях PNN преимущественно окружают ГАМКергический интернейроны содержащий кальций-связывающий белок парвальбумин.[7][8] Начало критического периода близко соответствует появлению парвальбумин-положительных клеток. Парвальбумин-положительные клетки синапсируют на ГАМК, содержащая α1-субъединицуА рецепторы. ГАМК, содержащая α1-субъединицуА рецепторы оказались единственными ГАМКА рецепторы которые стимулируют пластичность коры.[3] По этой причине сначала считалось, что PNN играют важную роль в закрытии критический период.

Функции

Нейропротекция

Тонкое регулирование аксональный и дендритный рост необходим в ЦНС взрослого человека для сохранения важных связей, но при этом позволяет структурные пластичность. Было признано, что эта функция обеспечивается несколькими миелин -ассоциированные белки и CSPG. Чтобы оценить физиологическую роль PNN в неповрежденной ЦНС, ChABC вводили здоровым мозжечок взрослых крыс. В месте инъекции ChABC наблюдалось обильное вырастание терминальных ветвей Клетка Пуркинье нейроны. Однако миелинизированные сегменты аксона не пострадали и остались нормальными. Прорастание аксона Пуркинье было впервые обнаружено через четыре дня после деградации CSPG. В течение 42 дней экспрессия CSPG постепенно восстанавливалась, после чего рост аксонов регрессировал, что указывает на отсутствие значительного образования стабильных синаптических контактов. Хотя CSPG очень важны для нейрозащиты, это указывает на то, что CSPG могут быть не единственными молекулами, важными для сохранения анатомической пластичности.[9]

Ограничение подвижности рецептора AMPA

Белки клеточной поверхности, включая рецепторы нейротрансмиттеров, очень мобильны в плазматическая мембрана за счет боковой диффузии. Быстрые движения Глутаматные рецепторы AMPA-типа (AMPAR) участвуют в модуляции синаптической передачи. Когда рецептор используется, он теряет чувствительность и не может эффективно работать в течение короткого периода времени. Диффузия десенсибилизированного рецептора для замены наивного функционального рецептора увеличивает синаптическую верность во время быстрой повторяющейся стимуляции. PNN разделяют поверхность нейронов и действуют как барьеры латеральной диффузии для AMPAR, ограничивая синаптический обмен. Это может быть одной из причин того, что синаптическая пластичность ограничивается, когда PNN становятся активными.[10]

Система буферизации катионов

Большинство парвальбумин-положительных нейронов, окруженных PNN, также содержат субъединицу Kv3.1b калиевого канала. Эти специфические клетки были идентифицированы как клетки с быстрым выбросом. Эти нейроны имеют низкое входное сопротивление клеточной мембраны, высокое сопротивление покоя. мембранный потенциал, короткая продолжительность обоих потенциалы действия и период отражения, высокая частота срабатывания и почти постоянная амплитуда их потенциалов действия. Похоже, что и каналы Kv3.1, и PNN необходимы для быстрого всплеска поведения этих нейронов. Эти калиевые каналы важны, потому что выходящие наружу калиевые токи ответственны за реполяризацию клеточной мембраны во время потенциала действия. Было показано, что токи Kv3.1 позволяют нейрону следовать за высокочастотной стимуляцией и / или генерировать высокие частоты возбуждения без адаптации к спайку, характеристики, которые хорошо подходят для клеток с быстрым спайком.[11] Эта характеристика клеток важна, поскольку было показано, что блокада канала Kv3.1b снижает скорость пластичности глазного доминирования.[3]

PNN с их сильно отрицательным зарядом могут служить катионообменниками, препятствуя свободной диффузии ионов калия или натрия. Из-за пространственных, временных и числовых диспропорций между Na+ приток и K+ отток, PNN обеспечивает возможное буферизация система внеклеточных катионов. Однако эту гипотезу еще предстоит доказать.[11]

Роль в нейропластичности

PNN играют важную роль в нейропластичность. Травматическое повреждение ЦНС приводит к дегенерации денервированных и поврежденных нейронов, образованию глиальный шрам, и побочное разрастание выживших нейронов. Было показано, что PNN ингибируют регенерацию и рост аксонов.[12] CSPG являются основными молекулами, тормозящими рост аксонов в глиальном рубце, которые играют роль в неспособности аксона регенерировать после повреждения.[13] В головном и спинном мозге крыс экспрессия различных CSPG (бревикан, Versican, нейрокан, и NG2 ) увеличивается после травмы. В естественных условиях лечение ChABC приводит к усилению регенерации аксонов (в частности, дофаминергический нейроны), а также способствует регенерации аксонов и функциональному восстановлению после травмы спинного мозга.[2]

CSPG и PNN также участвуют в ограниченной пластичности, присутствующей после повреждения ЦНС. В мозжечке крысы применение ChABC способствует структурной пластичности аксонов Пуркинье.[9] После повреждения спинного мозга крысы, получавшие ChABC, демонстрируют структурное и функциональное восстановление в виде увеличения роста аксонов на денервированной территории и восстановления двигательной функции и функции мочевого пузыря. Пластичность неповрежденных участков ствола головного и спинного мозга также увеличивается после травмы спинного мозга.[2]

Пластичность глазного доминирования

В критический период - это этап, когда для правильной организации нервного пути требуется необходимый опыт. Отсутствие этого опыта может привести к постоянному образованию неправильных связей.[2] Классической моделью критического периода была зрительная система. Обычно первичная зрительная кора содержит нейроны, организованные в столбцы окулярного доминирования, с группами нейронов, реагирующих преимущественно на один глаз или другой. Если доминантный глаз животного зашивают в раннем возрасте и оставляют зашивать в критический период зрения (монокулярная депривация ), кора постоянно реагирует преимущественно на глаза, которые были открыты, в результате глазное доминирование сдвиг. Однако, если глаз ушивают после критического периода, смещения не происходит.

У крыс переваривание PNN с помощью бактериального фермента хондроитиназа ABC возобновляет зрительный критический период. В частности, переваривание PNN в зрительной коре после закрытия критического периода (постнатальный 70-й день) реактивировало пластичность критического периода и позволяло происходить сдвигу глазного доминирования. Однако эффекты монокулярной депривации в случае реактивации были не такими сильными, как монокулярная депривация в нормальный критический период.[14] Кроме того, у взрослых крыс, лишенных монокулярности с юных лет, переваривание PNN привело к полному структурному и функциональному восстановлению (восстановлению окулярного доминирования, остроты зрения и дендритный позвоночник плотность). Однако это выздоровление произошло только после того, как открытый глаз был зашит, чтобы позволить восстановиться кортикальному представительству лишенного глаза.[15]

Страх воспоминаний

Условие страха у животных используется для моделирования тревожных расстройств, таких как Посттравматическое стрессовое расстройство. Обуздание страха работает за счет сочетания первоначального нейтральный стимул с отталкивающим стимулом, приводящим к длительным воспоминаниям о страхе. У взрослого животного обусловленность страха вызывает постоянную память, устойчивую к стиранию. вымирание. После угасания условные реакции страха могут восстанавливаться спонтанно после повторного воздействия отталкивающего стимула. Напротив, в раннем постнатальном развитии исчезновение условной реакции страха приводит к стиранию памяти. Организация PNN в миндалина совпадает с этим переключением устойчивости памяти о страхе. У взрослого животного деградация PNN в миндалина с ChABC делает впоследствии приобретенные воспоминания о страхе чувствительными к стиранию. Тренировка угасания была необходима для того, чтобы избавиться от поведения страха. Кроме того, на воспоминания о страхе, приобретенные до деградации сетей PNN, их деградация не повлияла.[16]

Развивающее изучение песни

Развивающее обучение песне - это модель, используемая для сенсомоторного критического периода. Пение птиц обучение в зебровый зяблик происходит в критический период, аналогичный тому, что происходит в человеческой речи. Этот критический период состоит из двух частей. Первый состоит из ранней фазы восприятия, на которой звуки просто запоминаются. За этим следует вторая сенсомоторная фаза, в которой обратная связь используется для формирования правильных звуков. В ядрах песни HVC более 80% PNN окружают парвальбумин -положительные нейроны. Наличие перинейрональных сетей предсказывает зрелость песни зебрового вьюрка, а большая плотность PNN указывает на более зрелую песню и, вероятно, большую синаптическую стабильность. В отличие от критического периода зрения, обширное предварительное исследование показало, что деградация PNN с помощью ChABC не возобновляет критический период сенсомоторной пластичности. Это может быть связано с дополнительными усложняющими факторами, присутствующими в сенсомоторной системе по сравнению с чисто сенсорной системой. У людей осложнения в сенсомоторно-критическом периоде речи связаны с такими расстройствами, как: аутизм. Повторное открытие критического периода у зебровых зябликов может привести к открытиям, ведущим к лечению этих заболеваний.[17]

Роль в патологии ЦНС

Эпилепсия

Эпилепсия хроническое неврологическое заболевание, характеризующееся аномальной электрической активностью мозга. Эта аномальная электрическая активность приводит к увеличению пластик изменения, которые играют роль патогенез болезни.[18] После приступов наблюдается уменьшение фосфакан- и фосфакан-положительных PNN и увеличение расщепленных бревикан в височная доля и гиппокамп. Судороги также увеличивают количество полноразмерных нейрокан, а CSPG только в неонатальном мозге. Эта деградация CSPG и PNN может быть ответственной за повышенную пластичность, связанную с расстройством.[2]

Гладить

Следующий Инсульт, наблюдается некоторая повышенная пластичность, что приводит к восстановлению некоторых функций. В модели на крысах после поражения коры наблюдается уменьшение PNN в области, окружающей инфаркт. В частности, наблюдается сокращение CSPG Аггрекан, Versican, и фосфакан и скопление полноразмерных нейрокан. Это подавление PNN также происходит в таких отдаленных областях мозга, как таламус. Деградация PNN может быть причиной повышенной пластичности, наблюдаемой после инсульта.[19] Одна проблема с типичным восстановлением после инсульта заключается в том, что типичный период повышенной пластичности, как правило, недостаточен для приемлемого восстановления функций у пациентов с инсультом. Одна из возможных стратегий лечения может заключаться в деградации PNN на более длительный период времени, чтобы обеспечить большее восстановление.

Болезнь Альцгеймера

Похоже, что у CSPG есть несколько ролей в Болезнь Альцгеймера. PNN могут обеспечивать защиту от эксайтотоксичность, окислительный стресс, а формирование нейрофибриллярные сплетения.[2] Относительно количества PNN в мозге человека, страдающего болезнью Альцгеймера, были противоречивые сообщения, а в некоторых исследованиях сообщалось о его сокращении. [20][21] и другие, сообщающие об отсутствии изменений.[22] Нет четкого консенсуса по поводу восприимчивости парвальбумин -положительные нейроны, большинство нейронов окружены PNN. Однако было обнаружено, что PNN локализуются с обоими амилоидные бляшки и нейрофибриллярные сплетения. Поскольку амилоидные бляшки вовлечены в прогрессирование болезни Альцгеймера, это предполагает, что PNN либо способствуют их образованию, либо являются реакцией на их образование. В пробирке исследования показали, что CSPG продвигают бета-амилоид образование фибрилл. Поскольку бета-амилоид является сильным стимулятором производства CSPG, а CSPG ингибируют рост нейронов и синаптическую пластичность, это может привести к снижению плотности аксонов и синаптической потере при болезни Альцгеймера.[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Флорес, CE; Мендес, П. (2014). «Формовочное ингибирование: зависимая от активности структурная пластичность ГАМКергических синапсов». Границы клеточной неврологии. 8: 327. Дои:10.3389 / fncel.2014.00327. ЧВК  4209871. PMID  25386117.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Galtrey, C.M .; Фосетт, Дж. У. (2007). «Роль протеогликанов хондроитинсульфата в регенерации и пластичности центральной нервной системы». Обзоры исследований мозга. 54 (1): 1–18. Дои:10.1016 / j.brainresrev.2006.09.006. PMID  17222456. S2CID  13913614.
  3. ^ а б c Хенш, Т. К. (2005). «Пластичность критического периода в местных корковых цепях. [Обзор]». Обзоры природы Неврология. 6 (11): 877–888. Дои:10.1038 / nrn1787. HDL:10533/174307. PMID  16261181. S2CID  5264124.
  4. ^ Celio, M. R .; Spreafico, R .; De Biasi, S .; Вителларо-Цуккарелло, Л. (1998). «Перинейрональные сети: прошлое и настоящее». Тенденции в неврологии. 21 (12): 510–515. Дои:10.1016 / s0166-2236 (98) 01298-3. PMID  9881847. S2CID  28557831.
  5. ^ Роулендс, Дайре; Lensjø, Kristian K .; Динь, Тови; Ян, Суджон; Эндрюс, Мелисса Р .; Хафтинг, Торкель; Фин, Марианна; Фосетт, Джеймс У .; Дик, Гуннар (21.11.2018). «Аггрекан направляет нейрональную пластичность, опосредованную внеклеточным матриксом». Журнал неврологии. 38 (47): 10102–10113. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.1122-18.2018. ISSN  0270-6474. ЧВК  6596198. PMID  30282728.
  6. ^ Deepa, S. S .; Carulli, D .; Galtrey, C .; Rhodes, K .; Fukuda, J .; Миками, Т .; Фосетт, Дж. У. (2006). «Состав перинейрональной сети внеклеточного матрикса в мозге крысы». Журнал биологической химии. 281 (26): 17789–17800. Дои:10.1074 / jbc.m600544200. PMID  16644727.
  7. ^ Morris, N.P .; Хендерсон, З. (2000). «Перинейрональные сети обволакивают парвальбумин-иммунореактивные нейроны в комплексе медиальной перегородки / диагональной полосы». Eur J Neurosci. 12 (3): 828–38. Дои:10.1046 / j.1460-9568.2000.00970.x. PMID  10762312.
  8. ^ Мэйн, ЧП; Бёрн, THJ (апрель 2019 г.). «Витамин D в синаптической пластичности, когнитивной функции и нервно-психических заболеваниях». Тенденции в неврологии. 42 (4): 293–306. Дои:10.1016 / j.tins.2019.01.003. PMID  30795846. S2CID  73479985.
  9. ^ а б Corvetti, L .; Росси, Ф. (2005). «Деградация хондроитинсульфатных протеогликанов вызывает прорастание интактных аксонов Пуркинье в мозжечке взрослой крысы». J. Neurosci. 25 (31): 7150–7158. Дои:10.1523 / jneurosci.0683-05.2005. ЧВК  6725229. PMID  16079397.
  10. ^ Frischknecht, R .; Heine, M .; Perrais, D .; Seidenbecher, C.I .; Choquet, D .; Гундельфингер, Э. Д. (2009). «Внеклеточный матрикс мозга влияет на латеральную подвижность рецептора AMPA и краткосрочную синаптическую пластичность. [10.1038 / nn.2338]». Nat Neurosci. 12 (7): 897–904. Дои:10.1038 / №2338. PMID  19483686. S2CID  1005267.
  11. ^ а б Hartig, W .; Derouiche, A .; Welt, K .; Брауэр, К .; Grosche, J .; Mader, M .; и другие. (1999). «Кортикальные нейроны, иммунореактивные по отношению к субъединице Kv3.1b калиевого канала, преимущественно окружены перинейрональными сетями, которые считаются буферной системой для катионов. [Статья]». Исследование мозга. 842 (1): 15–29. Дои:10.1016 / с0006-8993 (99) 01784-9. PMID  10526091. S2CID  19980614.
  12. ^ Rhodes, K. E .; Фосетт, Дж. У. (2004). «Протеогликаны сульфата хондроитина: предотвращение пластичности или защита ЦНС? [Обзор]». Журнал анатомии. 204 (1): 33–48. Дои:10.1111 / j.1469-7580.2004.00261.x. ЧВК  1571240. PMID  14690476.
  13. ^ Silver, J .; Миллер, Дж. Х. (2004). «Регенерация за пределами глиального шрама. [10.1038 / nrn1326]». Nat Rev Neurosci. 5 (2): 146–156. Дои:10.1038 / nrn1326. PMID  14735117.
  14. ^ Pizzorusso, T .; Medini, P .; Berardi, N .; Chierzi, S .; Fawcett, J. W .; Маффеи, Л. (2002). «Реактивация пластичности глазного доминирования во взрослой зрительной коре. [Статья]». Наука. 298 (5596): 1248–1251. Bibcode:2002Научный ... 298.1248П. Дои:10.1126 / science.1072699. PMID  12424383. S2CID  14254863.
  15. ^ Pizzorusso, T .; Medini, P .; Landi, S .; Baldini, S .; Berardi, N .; Маффеи, Л. (2006). «Структурное и функциональное восстановление после ранней монокулярной депривации у взрослых крыс». Труды Национальной академии наук. 103 (22): 8517–8522. Bibcode:2006ПНАС..103.8517П. Дои:10.1073 / pnas.0602657103. ЧВК  1482523. PMID  16709670.
  16. ^ Гоголла, Н .; Caroni, P .; Lüthi, A .; Херри, К. (2009). «Перинейрональные сети защищают воспоминания о страхе от стирания». Наука. 325 (5945): 1258–1261. Bibcode:2009Научный ... 325.1258G. Дои:10.1126 / science.1174146. PMID  19729657. S2CID  206520056.
  17. ^ Balmer, T. S .; Карелс, В. М .; Frisch, J. L .; Ник, Т.А. (2009). «Модуляция перинейрональных сетей и парвальбумина с развивающим изучением песни». Журнал неврологии. 29 (41): 12878–12885. Дои:10.1523 / jneurosci.2974-09.2009. ЧВК  2769505. PMID  19828802.
  18. ^ Morimoto, K .; Fahnestock, M .; Расин, Р. Дж. (2004). «Киндлинг и эпилептический статус модели эпилепсии: перестройка мозга». Прогресс в нейробиологии. 73 (1): 1–60. Дои:10.1016 / j.pneurobio.2004.03.009. PMID  15193778. S2CID  36849482.
  19. ^ Bidmon, H.J .; Jancsik, V .; Schleicher, A .; Hagemann, G .; Witte, O.W .; Woodhams, P .; Зиллес, К. (1997). «Структурные изменения и изменения цитоскелетных белков и протеогликанов после очаговой ишемии коры головного мозга». Неврология. 82 (2): 397–420. Дои:10.1016 / s0306-4522 (97) 00289-3. PMID  9466450. S2CID  42361088.
  20. ^ Кобаяши, К .; Emson, P.C .; Маунтджой, К.К. (1989). «Лектин-положительные нейроны Vicia villosa в коре головного мозга человека. Потеря при деменции типа Альцгеймера». Исследование мозга. 498 (1): 170–174. Дои:10.1016/0006-8993(89)90416-2. PMID  2790470. S2CID  37981595.
  21. ^ Baig, S .; Wilcock, G .; Любовь, С. (2005). «Потеря перинейрональной сети N -ацетилгалактозамина при болезни Альцгеймера». Acta Neuropathologica. 110 (4): 393–401. Дои:10.1007 / s00401-005-1060-2. PMID  16133543. S2CID  27218812.
  22. ^ Brückner, G .; Hausen, D .; Härtig, W .; Drlicek, M .; Арендт, Т .; Брауэр, К. (1999). «Области коры, богатые протеогликанами хондроитинсульфата внеклеточного матрикса, менее подвержены изменениям цитоскелета при болезни Альцгеймера». Неврология. 92 (3): 791–805. Дои:10.1016 / s0306-4522 (99) 00071-8. PMID  10426522. S2CID  24281926.