Тихий синапс
В нейробиологии представляет молчащий синапс собой возбуждающий глутаматергический синапс , постсинаптическая мембрана которого содержит глутаматные рецепторы NMDA-типа , но не содержит глутаматных рецепторов AMPA-типа . [1] Эти синапсы называются «тихими», потому что нормальная передача сигналов, опосредованная рецептором AMPA, отсутствует, что делает синапс неактивным в типичных условиях. Тихие синапсы обычно считаются незрелыми глутаматергическими синапсами. По мере взросления мозга относительное количество молчащих синапсов уменьшается. Однако недавние исследования «молчащих» синапсов гиппокампа показывают, что, хотя они действительно могут быть важной вехой в формировании синапсов, синапсы могут быть «заглушены» активностью, даже если они приобрели АМРА-рецепторы. Таким образом, тишина может быть состоянием, которое синапсы могут посещать много раз в течение своей жизни.
Синаптическая передача
[ редактировать ]
Нормальная передача через глутаматергический синапс зависит от нейромедиатора глутамата , глутамат-специфического рецептора AMPA (AMPAR) и кальция ионов . Поступление ионов кальция в пресинаптическое окончание вызывает пресинаптическое высвобождение глутамата, который диффундирует через синаптическую щель, связываясь с глутаматными рецепторами на постсинаптической мембране. Существует четыре подтипа глутаматных рецепторов : АМРА-рецепторы (AMPAR) (ранее известные как квасквалатные рецепторы), NMDA-рецепторы (NMDAR), каинатные рецепторы и метаботропные глутаматные рецепторы (mGluR). Большинство исследований было сосредоточено на AMPAR и NMDAR. Когда глутамат связывается с AMPAR, расположенными на постсинаптической мембране, они обеспечивают смешанный поток Na. + и К + пересекать клеточную мембрану, вызывая деполяризацию постсинаптической мембраны. Эта локализованная деполяризация называется возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП).
Тихие синапсы выделяют глутамат, как и прототипические глутаматергические синапсы, но их постсинаптические мембраны содержат только NMDA — и, возможно, mGlu — рецепторы, способные связывать глутамат. Хотя АМРА-рецепторы не экспрессируются в постсинаптических мембранах молчащих синапсов, они хранятся в везикулах внутри постсинаптических клеток, где они не могут обнаружить внеклеточный глутамат, но могут быстро встраиваться в постсинаптическую клеточную мембрану в ответ на тетанизирующий стимул. NMDAR функционально аналогичен AMPAR, за исключением двух основных отличий: NMDAR переносят ионные токи, состоящие из Na. + , К + , но также (в отличие от большинства AMPAR) Ca 2+ ; NMDAR также имеют сайт внутри ионного канала, который связывает ионы магния (Mg 2+ ). Этот сайт связывания магния расположен в поре канала, в месте внутри электрического поля, создаваемого мембранным потенциалом. Обычно ток не течет через канал NMDAR, даже если он связал глутамат. Это связано с тем, что ионный канал, связанный с этим рецептором, закупоривается магнием, действуя как пробка в бутылке. Однако, поскольку Mg 2+ заряжен и связан в электрическом поле мембраны, деполяризация мембранного потенциала выше порога может вытеснить магний, позволяя току течь через канал NMDAR. Это дает NMDAR свойство зависеть от напряжения, поскольку требуется сильная постсинаптическая деполяризация для обеспечения потока ионов .
Характеристики
[ редактировать ]
Тихие синапсы были предложены в качестве объяснения различий в квантовом содержании возбуждающих постсинаптических токов (ВПСТ), опосредованных AMPAR и NMDAR в гиппокампа . нейронах [2] Более прямые доказательства были получены в экспериментах, в которых стимулировались лишь несколько аксонов. Стимуляция молчащего синапса не вызывает EPSC, когда постсинаптическая клетка фиксируется при -60 мВ . Стимуляция молчащего синапса вызовет ВПСК, когда постсинаптическая клетка деполяризуется выше -40 мВ. [3] Это связано с тем, что у них отсутствует поверхностный AMPAR для пропускания тока при гиперполяризованных потенциалах, но они обладают NMDAR, которые пропускают ток при более положительных потенциалах (из-за облегчения магниевого блока). Более того, EPSC, вызванные деполяризованными мембранными потенциалами, могут быть полностью заблокированы D-APV , селективным блокатором NMDAR. [4]
Активация
[ редактировать ]Тихие синапсы активируются посредством внедрения AMPAR в постсинаптическую мембрану — феномен, обычно называемый « торговлей рецепторами AMPA ». [5]
Когда глутамат связывается с сильно деполяризованной постсинаптической клеткой (например, во время Хеббианской LTP ), Ca 2+ быстро проникает и связывается с кальмодулином . Кальмодулин активирует кальций/кальмодулин-зависимую протеинкиназу II (CaMKII), которая, помимо прочего, действует на AMPAR-содержащие везикулы вблизи постсинаптической мембраны. CaMKII фосфорилирует эти AMPAR, что служит сигналом для их внедрения в постсинаптическую мембрану. Как только AMPAR вставлены, синапс больше не молчит; активированные синапсы больше не требуют одновременной пре- и постсинаптической активности для активации ВПСП. Если после первоначальной активации (ранняя долгосрочная потенциация ) постсинаптический нейрон продолжает стимулироваться, он приспосабливается и становится постоянно возбудимым (поздняя долговременная потенциация). Он делает это путем изменения уровня производства рецепторов AMPA, которые затем встраиваются в мембрану в синапсе.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что разветвление дендритов и созревание синапсов 1 (Dasm1), член суперсемейства Ig, участвуют в созревании синапсов, по существу «пробуждая» молчащие синапсы.
Конкурирующие гипотезы
[ редактировать ]Характеристика молчащих синапсов — это постоянная область исследований, и многое о них еще неизвестно. Кое-что из того, что в настоящее время принято относительно свойств молчащих синапсов, может оказаться неверным полностью или частично. Однако некоторые споры по поводу «тихих» синапсов уже улажены. Например, до недавнего времени существовало четыре конкурирующие гипотезы о механизмах молчания синапсов: [6]
- Гипотеза «шепчущего синапса»:
- Синапс, который высвобождает глутамат медленнее, чем обычно, тем самым активируя только рецепторы NMDA с высоким сродством, но не рецепторы AMPA с низким сродством.
- Гипотеза синапсов с «низким Pr»:
- Синапс, который технически не является бесшумным, но кажется таковым, поскольку у него настолько низкая пресинаптическая вероятность высвобождения, что он редко активируется.
- Гипотеза «перетока глутамата»:
- Синапс, который не выделяет собственный пресинаптический глутамат, но в котором постсинапс обнаруживает низкие концентрации глутамата, «перетекающие» из соседних синапсов. Только NMDAR с высоким сродством, но не AMPAR с низким сродством, могут обнаружить этот низкий уровень глутамата.
- Гипотеза «отсутствия АМРА-рецептора»
- Синапс, в котором отсутствуют постсинаптические АМРА-рецепторы.
У всех четырех гипотез были свои сторонники, но первые три были в значительной степени исключены как механизм молчания синапсов в работах, опубликованных до 2008 года. [7] Однако недавние эксперименты четко установили, что молчащие синапсы можно наблюдать в синапсах ствола мозга, несущих постсинаптические АМРА-рецепторы. [8] Это исследование поддерживает гипотезу переливов глутамата, показывая, что в молчащих синапсах концентрация глутамата снижается. По крайней мере, это исследование показывает, что популярная гипотеза постсинаптических молчащих синапсов применима не ко всем системам.
Интеграция с другими темами
[ редактировать ]Роль тихих синапсов в долговременной потенциации
- Многие механизмы, участвующие в долговременной потенциации, аналогичны, если не идентичны механизмам, участвующим в активации молчащих синапсов. [9] Оба процесса требуют привлечения рецепторов AMPA в синапс.
Нейронное развитие
- В процессе развития существуют определенные критические периоды , когда сенсорная информация необходима для правильного развития. [10] Это необходимо для сенсорных, двигательных и когнитивных функций. Активация молчащих синапсов помогает построить нейронные сети, необходимые для этого развития. [11]
Торговля рецепторами AMPA
- Поскольку молчащие синапсы активируются введением AMPAR , торговля этими рецепторами весьма применима. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что основным источником рекрутирования АМРА-рецепторов при долгосрочном потенциировании является эндоцитозный/рециркулирующий путь. [12] но есть также доказательства того, что латеральная мембранная диффузия из внесинаптических областей также может способствовать рекрутированию AMPAR. [13]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Первс, Дейл (2007). Нейронаука, четвертое издание . Синауэр Ассошиэйтс. стр. 193–5.
- ^ Куллманн Д.М. (май 1994 г.). «Амплитудные колебания двухкомпонентных EPSC в пирамидных клетках гиппокампа: значение для долгосрочной потенциации». Нейрон . 12 (5): 1111–20. дои : 10.1016/0896-6273(94)90318-2 . ПМИД 7910467 . S2CID 54357872 .
- ^ Ляо Д., Хесслер Н.А., Малинов Р. (июнь 1995 г.). «Активация постсинаптически молчащих синапсов во время индуцированной спариванием ДП в области CA1 среза гиппокампа». Природа . 375 (6530): 400–4. Бибкод : 1995Natur.375..400L . дои : 10.1038/375400a0 . ПМИД 7760933 . S2CID 4239468 .
- ^ Исаак Дж. Т., Николл Р. А., Маленка Р. К. (август 1995 г.). «Доказательства молчаливых синапсов: последствия для выражения LTP» . Нейрон . 15 (2): 427–34. дои : 10.1016/0896-6273(95)90046-2 . PMID 7646894 .
- ^ Кершнер Г.А., Николл Р.А. (ноябрь 2008 г.). «Тихие синапсы и возникновение постсинаптического механизма ДП» . Обзоры природы. Нейронаука . 9 (11): 813–25. дои : 10.1038/nrn2501 . ПМК 2819160 . ПМИД 18854855 .
- ^ Воронин Л.Л., Керубини Е (май 2004 г.). « Безмолвные синапсы «глухие, немые и шепчущие»: их роль в синаптической пластичности» . Журнал физиологии . 557 (Часть 1): 3–12. дои : 10.1113/jphysicalol.2003.058966 . ПМК 1665055 . ПМИД 15034124 .
- ^ Монтгомери Дж. М. , Павлидис П., Мэдисон Д. В. (март 2001 г.). «Парные записи обнаруживают полностью молчащие синаптические связи и постсинаптическое выражение долговременной потенциации» . Нейрон . 29 (3): 691–701. дои : 10.1016/S0896-6273(01)00244-6 . ПМИД 11301028 .
- ^ Балланд Б., Лачамп П., Кесслер Дж.П., Телль Ф. (апрель 2008 г.). «Тихие синапсы в развивающемся одиночном тракте ядра крысы имеют АМРА-рецепторы» . Журнал неврологии . 28 (18): 4624–34. doi : 10.1523/JNEUROSCI.5355-07.2008 . ПМК 6670440 . ПМИД 18448639 .
- ^ Балтач С.Б., Могулкок Р., Балтач АК (февраль 2019 г.). «Молекулярные механизмы ранней и поздней ЛТП». Нейрохимические исследования . 44 (2): 281–296. дои : 10.1007/s11064-018-2695-4 . ПМИД 30523578 . S2CID 54447044 .
- ^ Канольд П.О., Дэн Р., Мэн Икс (2019). «Интегративная функция молчащих синапсов на нейронах подпластины при корковом развитии и дисфункции» . Границы нейроанатомии . 13:41 . дои : 10.3389/fnana.2019.00041 . ПМК 6476909 . ПМИД 31040772 .
- ^ Хуан Икс (март 2019 г.). «Тихий синапс: новый игрок в пластичности критического периода зрительной коры». Фармакологические исследования . 141 : 586–590. дои : 10.1016/J.phrs.2019.01.031 . ПМИД 30659896 . S2CID 58546141 .
- ^ Пак М (2018). «Торговля рецепторами AMPA для постсинаптической потенциации» . Границы клеточной нейронауки . 12 : 361. дои : 10.3389/fncel.2018.00361 . ПМК 6193507 . ПМИД 30364291 .
- ^ Кнессель М., Хаусрат Т.Дж. (март 2016 г.). «Резервные пулы рецепторов постсинаптических нейромедиаторов для синаптической потенциации» . Тенденции в нейронауках . 39 (3): 170–182. дои : 10.1016/j.tins.2016.01.002 . ПМИД 26833258 . S2CID 3514596 .