Синаптический строб - Synaptic gating

Аксо-аксональный закрытый синапс: Нейрон C закрывает синапс между нейроном A и B.

Синаптический строб это способность нейронных цепей управлять входными данными путем подавления или облегчения определенных синаптическая активность. Избирательное торможение определенных синапсов было тщательно изучено (см. Врата теории боли ), и недавние исследования подтвердили существование разрешающей синаптической передачи. В общем, синаптическое стробирование включает механизм центрального контроля над выходом нейронов. Он включает в себя своего рода привратника нейрон, который имеет способность влиять на передачу информации выбранным целям независимо от частей синапса, на которые он оказывает свое действие (см. также нейромодуляция ).

Бистабильные нейроны обладают способностью колебаться между гиперполяризованный (нижнее состояние) и деполяризованное (рабочее состояние) мембранный потенциал покоя без стрельбы потенциал действия. Таким образом, эти нейроны можно назвать верхними / нижними нейронами. Согласно одной модели, эта способность связана с наличием NMDA и AMPA рецепторы глутамата.[1] Внешняя стимуляция рецепторов NMDA отвечает за перевод нейрона из нижнего состояния в активное состояние, в то время как стимуляция рецепторов AMPA позволяет нейрону достигать и преодолевать пороговый потенциал. Нейроны, которые обладают этой бистабильной способностью, имеют потенциал для стробирования, потому что внешние нейроны-привратники могут модулировать мембранный потенциал стробируемого нейрона, выборочно переводя их из верхнего состояния в нижнее. Такие механизмы наблюдались в прилежащее ядро, с привратниками из кора, таламус и базальный ганглий.[1]

Модель закрытого синапса

Пример Биполярный переходной транзистор который можно использовать как модель для синаптического стробирования. B будет представлять нейрон привратника, который регулирует передачу сигнала от C к E.

Модель закрытых синапсов была первоначально получена из модели Электронная схема, в котором привратник служит транзистор в цепи. В схеме транзистор может действовать как переключатель, который включает или выключает электрический сигнал. Кроме того, транзистор может служить для усиления существующего тока в цепи. Фактически, нейрон-привратник действует как транзистор закрытого синапса, модулируя передачу сигнала между пресинаптическими и постсинаптическими нейронами.

В модельном закрытом синапсе ворота по умолчанию либо открыты, либо закрыты. Таким образом, нейрон-привратник служит внешним переключателем ворот в синапсе двух других нейронов. Один из этих нейронов обеспечивает входной сигнал, а другой - выходной сигнал. Роль нейрона-привратника - регулировать передачу входа на выход. При активации нейрон привратника изменяет полярность пресинаптического аксона, открывая или закрывая ворота. Если этот нейрон деполяризует пресинаптический аксон, он позволяет передавать сигнал. Таким образом, ворота открыты. Гиперполяризация пресинаптического аксона закрывает ворота. Так же, как в транзисторе, нейрон привратника включает или выключает систему; он влияет на выходной сигнал постсинаптического нейрона. Включен он или выключен, зависит от природы входного сигнала (возбуждающего или тормозящего) от пресинаптического нейрона.

Торможение

Модуляция интернейронов

Стробирование может происходить подавление шунтирования в котором тормозящие интернейроны изменяют проводимость мембраны возбуждающего аксона-мишени, тем самым распространяя его возбуждающий сигнал.[2] Стробирующий сигнал от привратника запускает эти тормозящие интернейроны, чтобы предотвратить срабатывание одного набора нейронов даже при стимуляции другим набором. В этом состоянии ворота закрыты.[1] Примеры такого рода стробирования были обнаружены в зрительных корковых нейронах.[2] и области префронтальной коры (ПФК) у приматов, которые могут отвечать за подавление нерелевантных стимулов.[3] Исследования показывают, что такое торможение частично может быть связано с ГАМК рецептор-опосредованные синапсы.[2]

Чтобы эти тормозящие интернейроны действовали на свои цели, они должны получать входной сигнал от привратника, который их стимулирует. Этот вход может быть внутренним, внешним или и тем, и другим.[4] Внешний вход поступает из области мозга, анатомически и функционально отличной от данной цепи, в то время как внутренний вход поступает от частей самой цепи. Обычно этот ввод происходит в форме нейромодулирующих веществ, таких как гормоны, нейропептиды и другие нейротрансмиттеры, которые высвобождаются из входящих нейронов.[4] Затем эти сигналы сходятся на привратнике, где они интегрируются и направляются к цели. В зависимости от схемы, стробирующие сигналы могут поступать из разных областей мозга. Например, исследования показали, что энторинальная кора могут закрывать области медиального PFC, тем самым препятствуя их проецированию в другие области мозга.[5]

Дополнительные исследования показали, что таламус также может служить источником стробирующих сигналов.[6] На пути между ПФК и гиппокампом, стимуляция медиодорсальных таламических нейронов, а также стимуляция вентральная тегментальная область нейроны подавляли возбуждение нейронов PFC.[6] Было показано, что эти ингибирующие эффекты модулируются различными дофамин антагонисты рецепторов, что предполагает некоторую роль дофамина как нейромодулирующего агента в этой цепи.

Роль в пространственном внимании

Из-за ограниченной способности мозга обрабатывать информацию становится необходимым, чтобы мозг имел способность отфильтровывать ненужную информацию и выбирать важную. Вход, особенно в поле зрения, конкурирует за избирательное внимание. Модели стробирующих механизмов в процессе внимания изучались многими группами исследователей, однако консенсуса относительно роли синаптического стробирования во внимании не достигнуто.[7][8][9]

Роль в рабочей памяти

Основная статья: рабочая память

Механизмы вентиляции в базальных ганглиях связаны с нашей способностью фильтровать нерелевантную информацию и получать доступ к соответствующей информации из рабочей памяти.[10] В этом случае за функцию контроля ворот отвечает таламус. Он открывает ворота между двумя областями коры головного мозга, позволяя влиять на стимулы в рабочей памяти. Однако таламус тонически подавляется базальными ганглиями. Активация в базальных ганглиях позволит растормаживать таламус и, таким образом, открыть ворота.[1]

Разрешительное стробирование

Запуск потенциала действия и, следовательно, высвобождение нейротрансмиттеров происходит с помощью этого стробирующего механизма. При синаптическом стробировании, чтобы возник потенциал действия, должно быть более одного входа, чтобы произвести единственный выход в стробируемом нейроне. Взаимодействие между этими наборами нейронов создает биологический И ворота.[1] Управляемый нейрон является бистабильным и должен быть приведен в рабочее состояние, прежде чем он сможет активировать потенциал действия. Когда этот бистабильный нейрон находится в активном состоянии, ворота открыты. Нейрон-привратник отвечает за стимуляцию бистабильного нейрона, переводя его из нижнего состояния в активное и, таким образом, открывая ворота. Как только ворота открыты, возбуждающий нейрон может вызвать дальнейшую деполяризацию бистабильного нейрона и достичь порогового значения, вызывающего возникновение потенциала действия. Если привратник не перемещает бистабильный нейрон снизу вверх, возбуждающий нейрон не сможет активировать потенциал действия в бистабильном нейроне. Как нейрон-привратник, так и возбуждающий нейрон необходимы для запуска потенциала действия в бистабильном нейроне, но ни того, ни другого недостаточно, чтобы сделать это в одиночку.[1]

Пример этого типа гейтирования может происходить в прилежащем ядре. Исследования показали, что нейроны гиппокампа могут блокировать передачу сигналов между префронтальной корой и прилежащим ядром.[11] Стимуляция префронтальных кортикальных нейронов имеет очень небольшой шанс вызвать потенциал действия в прилежащем ядре, пока эти нейроны находятся в неактивном состоянии. Точно так же стимуляция нейронов гиппокампа не вызывает потенциалов действия в прилежащем ядре; однако было показано, что эти нейроны гиппокампа переключают свои мишени в прилежащем ядре в рабочее состояние. Пока эти нейроны остаются в активном состоянии, стимуляция префронтальных кортикальных нейронов имеет гораздо более высокую вероятность создания потенциалов действия в прилежащем ядре.[11] Таким образом, гиппокамп служит привратником для потока информации от префронтальной коры к прилежащему ядру, так что его действие разрешает эти синапсы.

Синаптическое стробирование включает множество механизмов, с помощью которых регулируется эффективность нейрональной активности. Дополнительные исследования демонстрируют разрешающие свойства синаптического гейтирования.[12][13][14] В некоторых случаях деполяризация мембраны вызовет открытие ворот, которые ранее оказывали тормозящее действие на нейрон, который они блокировали. Это разрешительное стробирование - это больше, чем просто суммирование, тем не мение. Суммирование - это схождение многих ВПСП на бугорке аксона (либо от одного нейрона, активируемого с высокой частотой, либо от множества нейронов, активируемых одновременно), который деполяризует мембранный потенциал до точки порога. Деполяризация мембраны, вызванная открытием синаптических ворот, вызывает дополнительное увеличение внутриклеточного кальция, что способствует высвобождению нейротрансмиттеров; таким образом, он способен избирательно распределять информацию от пресинаптической клетки.[15]

Болезнь

Коморбидность СДВГ и тревожности

Основная статья: СДВГ

Исследования детей с диагнозом СДВГ показали значительно более высокие баллы по шкале тревожности / депрессии Контрольный список поведения детей Ахенбаха,[16] что подразумевает коморбидность СДВГ и тревожности. Было высказано предположение, что нарушение синаптических процессов ворот в прилежащем ядре является основной причиной этой коморбидности.[17] Этот дефект вызывает снижение синаптического гейтирования поступления дофамина из префронтальной коры и гиппокампа в прилежащее ядро. Одна теория предполагает, что этот дефект снижает способность человека избирательно подавлять реакции страха со стороны миндалины, что приводит к тревоге. Однако существует несколько теорий о том, как это нарушение в конечном итоге влияет на людей с СДВГ.[17]

В исследованиях на грызунах префронтальная кора, в частности медиальная префронтальная кора (mPFC) участвует в обработке информации продолжительностью от миллисекунд до нескольких секунд, в то время как гиппокамп участвует в обработке информации в более длительных временных масштабах - например, от минут до часов.[18] Повреждение обеих этих областей у людей с СДВГ, кажется, иллюстрирует, почему они проявляют невнимательность и импульсивность. Нейроны Nucleus accumbens бистабильны и, таким образом, могут избирательно вводиться либо в «верхнее» - деполяризованное состояние, либо в «нижнее» - гиперполяризованное состояние. Нейроны Nucleus accumbens управляются входом из гиппокампа и миндалины, и это создает деполяризованный прилежащий нейрон, который более восприимчив к иннервации, исходящей от префронтальной коры.[19] Таким образом, у пациентов с СДВГ не только снижается входной сигнал от префронтальной коры к прилежащему ядру, но, кроме того, снижается входной сигнал от гиппокампа к прилежащему ядру, что приводит к снижению активации нейронов прилежащего ядра. Лица, принимающие лекарства, такие как метилфенидат (Риталин) будет увеличивать выработку дофамина (DA) во многих из этих синапсов, помогая компенсировать потерю синаптической активности, вызванную патофизиологией СДВГ. Прием метилфенидата может увеличить проекцию DA в прилежащее ядро, что может не только увеличивать синаптическую активность между префронтальной корой и гиппокампом (улучшая память), но и действовать как система вознаграждения, поскольку прилежащее ядро ​​является частью мезолимбический путь.[20] Более того, возможно, именно поэтому люди, принимающие риталин, испытывают «потребность» и «желание» учиться, поскольку он действует как положительное подкрепление в мозгу. Кроме того, активация схемы вознаграждения, скорее всего, является причиной того, что метилфенидат вызывает сильное привыкание и большую зависимость. В заключение, синаптическое стробирование иллюстрирует вероятный механизм, с помощью которого лекарства от СДВГ, такие как риталин, модулируют синаптическую активность и память.

Шизофрения

Основная статья: Шизофрения

Люди, страдающие шизофренией, часто демонстрируют неспособность иллюстрировать контекстно-зависимую память, неспособность продемонстрировать аффективную валентность - правильные эмоции и неспособность к процессам внимания и времени.[19] Синаптическое управление, кажется, иллюстрирует, почему развиваются все эти неспособности. В частности, вход гиппокампа в прилежащее ядро, область базальных ганглиев, действует как ворота, создавая более деполяризованное состояние в прилежащих нейронах, что позволяет им быть более восприимчивыми к иннервации со стороны префронтальная кора (PFC). Кроме того, миндалина вход почти таким же образом действует как ворота, создавая более деполяризованное состояние в прилежащих нейронах, хотя это деполяризованное состояние является гораздо более временным. В целом нейроны прилежащего ядра бистабильны. У людей с шизофренией есть повреждения гиппокампа и миндалины, что свидетельствует о неправильном гейтинге и приводит к тому, что нейроны прилежащего ядра находятся в нижнем положении. Вот почему люди с шизофренией проявляют неспособность к контекстно-зависимой памяти и неспособность проявлять надлежащую аффективную валентность. Кроме того, поскольку прилежащие нейроны находятся в нижнем положении, они не так восприимчивы к стимуляции PFC, и поэтому у людей с шизофренией наблюдаются проблемы с дефицитом внимания. Теория стробирования шизофрении постулирует бистабильный нейрон прилежащего ядра, который при неправильном стробировании приводит к множеству нарушений поведения и памяти.[19]

Текущие и будущие исследования

Текущие исследования пролили свет на тот факт, что бистабильность нейрона может быть частью большей бистабильности. нейронная сеть.[21] Доказательства бистабильной сети были продемонстрированы интернейронами слуховая кора. Стабильные состояния этой слуховой сети коры являются синхронными или антисинхронными, что иллюстрирует ее бистабильную природу. Когда слуховые интернейроны были связаны с электрическими и химическими тормозными синапсами, наблюдалась бимодальная картина возбуждения. Этот бимодальный шаблон иллюстрирует бистабильность сети для срабатывания в синхронном или антисинхронном состоянии. Эти два состояния могут быть режимами, с помощью которых человек воспринимает разные частоты в звуковых волнах. Будущие исследования направлены на выяснение того, воплощает ли эта бистабильная сеть многие свойства бистабильного нейрона, и есть ли более крупный привратник, модулирующий сеть в целом.

Было показано, что нейроны прилежащего ядра способны стробироваться, потому что они бистабильны.[19] Недавние данные показали, что нейроны коры головного мозга также бистабильны и, следовательно, также могут быть стробированы. Похоже, что существует три разных типа стробирующих цепей: один контролируется корой, другой - ассоциативными ядрами в таламусе, а третий - цепями, охватывающими базальные ганглии, кору и таламус. Имеются убедительные доказательства того, что выход из таламуса влияет на реакцию префронтальной коры со стороны гиппокампа. Это рассматривается как усиление или подавление, иллюстрирующее бистабильность процесса. Было доказано, что нейроны прилежащего ядра действуют как ворота, но действуют ли нейроны коры таким же образом? В будущих исследованиях будут рассмотрены сходства между двумя наборами бистабильных нейронов. Кроме того, необходимо расширить механизм перевода бистабильных нейронов в их «нижнее» состояние. Это состояние приводит к торможению, и, следовательно, их тормозящие интернейроны модулируют этот сдвиг, и если да, то тормозящие нейротрансмиттеры, такие как ГАМК участвует? Наконец, нейроны, способные управлять воротами, такими как нейроны гиппокампа и таламуса, могут контактировать со многими различными областями мозга. По мере увеличения количества исследований, утверждающих, что нейроны в коре, прилежащем ядре и мозжечке могут быть заблокированы, может ли гиппокамп модулировать сигналы для всего этого, и если да, может ли он соединить эти различные области мозга в гораздо большую нейронную сеть, способную модулируются сразу? Это вопросы, лежащие в основе синаптического стробирования в будущем.[1]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Букадум, Мунир; Гизигер, Томас (2011). «Механизмы, блокирующие поток информации в коре головного мозга: как они могут выглядеть и каковы их возможности». Границы вычислительной нейробиологии. 5: 1. Дои:10.3389 / fncom.2011.00001. ЧВК  3025648. PMID  21267396.
  2. ^ а б c Борг-Грэм, LJ; Монье, С; Fregnac, Y (1998). «Визуальный ввод вызывает временное и сильное подавление шунтирования в зрительных корковых нейронах». Природа. 393 (6683): 369–73. Bibcode:1998Натура.393..369Б. Дои:10.1038/30735. PMID  9620800. S2CID  1698876.
  3. ^ Барбас, H; Зикополоус, Б (2007). «Префронтальная кора и гибкое поведение». Нейробиолог. 13 (5): 532–45. Дои:10.1177/1073858407301369. ЧВК  2855184. PMID  17901261.
  4. ^ а б Кац, PS; Фрост, WN (1996). «Внутренняя нейронмодуляция: изменение нейронных цепей изнутри». Тенденции в неврологии. 19 (2): 54–61. Дои:10.1016/0166-2236(96)89621-4. PMID  8820868. S2CID  20753760.
  5. ^ Валенти, О; Грейс, AA (2009). «Энторинальная кора подавляет медиальную префронтальную кору и модулирует состояния активности электрофизиологически охарактеризованных пирамидных нейронов in vivo». Кора головного мозга. 19 (3): 658–74. Дои:10.1093 / cercor / bhn114. ЧВК  2637308. PMID  18632738.
  6. ^ а б Флореско, SB; Грейс, AA (2003). «Стробирование вызванной гиппокампом активности в нейронах префронтальной коры за счет входов из медиодорсального таламуса и вентральной тегментальной области». Журнал неврологии. 23 (9): 3930–43. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.23-09-03930.2003. ЧВК  6742171. PMID  12736363.
  7. ^ Моран, Дж; Desimone, R (1985). «Селективное внимание запускает визуальную обработку в экстрастриатной коре». Наука. 229 (4715): 782–84. Bibcode:1985Научный ... 229..782М. CiteSeerX  10.1.1.308.6038. Дои:10.1126 / science.4023713. PMID  4023713.
  8. ^ Anderson, C.H .; Ван Эссен, округ Колумбия (1987). «Схемы переключения: вычислительная стратегия для динамических аспектов визуальной обработки». Труды Национальной академии наук. 84 (17): 6297–301. Bibcode:1987PNAS ... 84.6297A. Дои:10.1073 / пнас.84.17.6297. JSTOR  29821. ЧВК  299058. PMID  3114747.
  9. ^ Крик, F; Кох, С (1990). «Некоторые размышления о зрительном восприятии». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 55: 953–62. Дои:10.1101 / SQB.1990.055.01.089. PMID  2132872.
  10. ^ McNab, F; Клингберг, Т (2008). «Префронтальная кора и базальные ганглии контролируют доступ к рабочей памяти». Природа Неврология. 11 (1): 103–7. Дои:10.1038 / nn2024. PMID  18066057. S2CID  709944.
  11. ^ а б О'Доннелл, П; Грейс А.А. (1995). «Синаптические взаимодействия между возбуждающими афферентами к нейронам прилежащего ядра: гиппокамп, вентиляция префронтальной коры». Журнал неврологии. 15 (5): 3622–39. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.15-05-03622.1995. ЧВК  6578219. PMID  7751934.
  12. ^ Иванов, Андрей И .; Калабрезе, Рональд Л. (2003). "Модуляция спайк-опосредованной синаптической передачи пресинаптическим фоном Ca"2+ в интернейронах сердца пиявки ". Журнал неврологии. 23 (4): 1206–18. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.23-04-01206.2003. ЧВК  6742253. PMID  12598609.
  13. ^ Эванс, Колин Дж .; Цзин, Цзянь; Розен, Стивен С .; Кроппер, Элизабет С. (2003). "Регулирование инициирования и распространения спайков в Аплизия Сенсорный нейрон: вход через центральную деполяризацию ». Журнал неврологии. 23 (7): 2920–31. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.23-07-02920.2003. ЧВК  6742086. PMID  12684479.
  14. ^ Герберхольц, Йенс; Антонсен, Брайан Л .; Эдвардс, Дональд Х. (2002). "Боковая возбуждающая сеть в цепи спасения раков". Журнал неврологии. 22 (20): 9078–85. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.22-20-09078.2002. ЧВК  6757705. PMID  12388615.
  15. ^ Кац, Пол С. (2003). «Synaptic Gating: возможность открыть закрытые двери». Текущая биология. 13 (14): R554–6. Дои:10.1016 / S0960-9822 (03) 00471-8. PMID  12867047. S2CID  10202054.
  16. ^ Graetz, Brian W .; Сойер, Майкл Дж .; Hazell, Philip L .; Арни, Фиона; Багерст, Питер (2001). «Валидность подтипов DSM-IV ADHD в национальной репрезентативной выборке австралийских детей и подростков». Журнал Американской академии детской и подростковой психиатрии. 40 (12): 1410–7. Дои:10.1097/00004583-200112000-00011. PMID  11765286.
  17. ^ а б Леви, Флоренция (2004). «Synaptic Gating и ADHD: биологическая теория коморбидности ADHD и тревожности». Нейропсихофармакология. 29 (9): 1589–96. Дои:10.1038 / sj.npp.1300469. PMID  15114344.
  18. ^ Юн, Тэджиб; Okada, J .; Jung, M. W .; Ким, Дж. Дж. (2008). «Префронтальная кора и гиппокамп обслуживают разные компоненты рабочей памяти у крыс». Обучение и память. 15 (3): 97–105. Дои:10,1101 / лм. 850808. ЧВК  2275661. PMID  18285468.
  19. ^ а б c d Грейс, Энтони А. (2000). «Стробирование информационного потока в лимбической системе и патофизиология шизофрении». Обзоры исследований мозга. 31 (2–3): 330–41. Дои:10.1016 / S0165-0173 (99) 00049-1. PMID  10719160. S2CID  41827055.
  20. ^ Зульцер, Дэвид; Sonders, M. S .; Poulsen, N.W .; Галли, А (2005). «Механизмы высвобождения нейромедиаторов амфетаминами: обзор». Прогресс в нейробиологии. 75 (6): 206–433. Дои:10.1016 / j.pneurobio.2005.04.003. PMID  15955613. S2CID  2359509.
  21. ^ Мерриам, Эллиот; Netoff, T. I .; Бэнкс, М. И. (2005). «Бистабильное сетевое поведение интернейронов уровня I в слуховой коре». Журнал неврологии. 25 (26): 6175–6186. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.0512-05.2005. ЧВК  1994149. PMID  15987947.