Дендритный шип
В нейрофизиологии дендритный спайк относится к потенциалу действия, в дендритах нейрона генерируемому . Дендриты – это разветвленные продолжения нейрона. Они получают электрические сигналы, излучаемые проецирующими нейронами, и передают эти сигналы телу клетки или соме . Дендритная передача сигналов традиционно рассматривалась как пассивный способ передачи электрических сигналов. В отличие от своего аналога -аксона , который может генерировать сигналы посредством потенциалов действия, считалось, что дендриты обладают способностью распространять электрические сигналы только физическими средствами: изменениями проводимости, длины, площади поперечного сечения и т. д. Однако существование дендритных шипов было предложено и продемонстрировано У. Олденом Спенсером, Эриком Канделом , Родольфо Ллинасом и его коллегами в 1960-х годах. [1] [2] и теперь большое количество данных ясно показывает, что дендриты являются активными нейрональными структурами. Дендриты содержат потенциалзависимые ионные каналы, что дает им способность генерировать потенциалы действия. Дендритные спайки были зарегистрированы во многих типах нейронов головного мозга и, как полагают, имеют большое значение для нейронной коммуникации , памяти и обучения . Они являются одним из основных факторов долговременного потенцирования .
Дендритный спайк инициируется так же, как и аксональный потенциал действия. Деполяризация дендритной мембраны вызывает открытие потенциалзависимых ионных каналов натрия и калия. Приток ионов натрия вызывает повышение напряжения. Если напряжение превышает определенный порог, натриевый ток активирует другие потенциалзависимые натриевые каналы, передающие ток по дендриту. Дендритные спайки могут генерироваться как через натриевые, так и через кальциевые потенциалзависимые каналы. Дендритные спайки обычно передают сигналы гораздо медленнее, чем аксональные потенциалы действия . [3] Пороги локального напряжения для инициации дендритных спайков обычно выше, чем пороги инициации потенциала действия в аксоне; поэтому инициирование всплеска обычно требует сильного воздействия. [4]
Каналы, управляемые напряжением
[ редактировать ]Натриевый канал, управляемый напряжением
[ редактировать ]
Потенциал-управляемые натриевые каналы представляют собой белки, находящиеся в мембране нейронов. При электрической активации они позволяют ионам натрия перемещаться через плазматическую мембрану . Эти каналы отвечают за распространение электрических сигналов в нервных клетках. Потенциал-управляемые натриевые каналы можно разделить на две субъединицы: альфа и бета. Было идентифицировано множество потенциалзависимых натриевых каналов альфа-субъединицы. Потенциал-управляемые натриевые каналы, обнаруженные у млекопитающих, можно разделить на три типа: Nav1.x, Nav2.x и Nav3.x. Натриевые каналы Nav1.x связаны с центральной нервной системой . Nav1.1, Nav2.2 и Nav1.6 представляют собой три изоформы потенциал-управляемых натриевых каналов, которые присутствуют на высоких уровнях в центральной нервной системе мозга взрослых крыс. [5] Эти каналы хорошо известны в аксональной мембране центральной нервной системы. Nav1.2 в первую очередь был идентифицирован в немиелинизированных аксонах, тогда как высокие концентрации Nav1.6 наблюдались в узлах Ранвье аксонов. [6] Nav1.6 был идентифицирован в дендритах нейронов CA1 гиппокампа, которые генерируют дендритные спайки; 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 дендрита распространять сигнал. Высокие пороги дендритной мембраны часто затрудняют инициацию дендритных спайков. Однако повышенная плотность потенциалзависимых натриевых каналов может уменьшить амплитуду сигнала, необходимого для инициирования всплеска. наблюдалось скопление потенциалзависимых натриевых каналов В синапсах нейрона бледного шара . [8] С помощью дендритных вычислительных моделей также было продемонстрировано, что пороговая амплитуда синаптической проводимости, необходимая для генерации дендритного спайка, 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 одного и того же нейрона. Кажется, не существует общей картины распределения потенциалзависимых каналов внутри дендритов. Различные дендриты нейронов имеют разные паттерны плотности, которые могут изменяться во время развития и могут модулироваться нейротрансмиттерами . [4]
Кальциевый канал, управляемый напряжением
[ редактировать ]Как и потенциал-управляемые натриевые каналы, потенциал-управляемые кальциевые каналы также представляют собой интегральные мембранные белки, находящиеся в плазматической мембране. Потенциал-управляемые кальциевые каналы генерируют потенциалы действия по тем же механизмам, что и потенциал-управляемые натриевые каналы. В нейронах были идентифицированы различные потенциалзависимые кальциевые каналы. Потенциал-управляемые кальциевые каналы N- и P/Q-типа являются основными подтипами, которые, как обнаружено, поддерживают синаптическую передачу. [9] Эти каналы сосредоточены в нервных окончаниях. Потенциал-управляемые кальциевые каналы Т-типа и R-типа были обнаружены в базальных дендритах, и считается, что активация этих каналов во время всплесков потенциала действия приводит к образованию дендритных кальциевых спайков. [10] Каналы Т-типа и R-типа являются частью субъединицы альфа-1 класса кальциевых каналов.
Различные типы потенциалзависимых кальциевых каналов приводят к двум формам активации напряжения: кальциевые токи, активируемые низким напряжением (LVA) и активируемые высоким напряжением (HVA). В глубоких ядрах мозжечка токи кальция распределяются вдоль дендрита неравномерно. [11] Относительная сила кальциевых токов LVA значительно более сконцентрирована на дистальном конце дендритов. Неравномерное распределение кальциевых токов LVA указывает на важную роль кальциевых токов LVA в дендритной интеграции на синаптических входах. [11]
Калиевый канал, управляемый напряжением
[ редактировать ]
Потенциал-управляемые калиевые каналы представляют собой еще один набор потенциал-управляемых каналов, которые играют значительную роль в инициировании дендритных спайков. Потенциал-управляемые калиевые каналы, подобно потенциал-управляемым натриевым и кальциевым каналам, облегчают перемещение катионов через плазматическую мембрану. Но в отличие от потенциал-управляемых натриевых и кальциевых каналов, потенциал-управляемый калиевый канал выводит катионы из клетки, тем самым оказывая ингибирующее действие на инициацию дендритных спайков.
Переходный потенциалзависимый калиевый канал А-типа представляет собой специфический канал, который играет ключевую роль в инициации 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] Разницу в возбудимости можно объяснить наличием этих потенциалзависимых калиевых каналов. Потенциал-управляемые калиевые каналы ингибируют способность дендритов генерировать потенциалы действия и уменьшают амплитуду дендритных спайков с увеличением расстояния от сомы. Способность потенциалзависимых калиевых каналов модулировать дендритную передачу сигналов может оказывать значительное влияние на синаптическую пластичность .
Пиковое инициирование
[ редактировать ]Потенциал действия
[ редактировать ]Потенциалы действия, возникающие в аксоне, обычно перемещаются по аксону от сомы. Однако потенциал действия также может двигаться в противоположном направлении, проникать в сому, а затем спускаться по дендриту в виде дендритного шипа. [13] Этот ретроградный сигнал передает синапсу информацию о том, что нейрон выдал выходной сигнал. [4] Эффективность сигнала варьируется в зависимости от типа нейронов. Например, обратное распространение потенциалов действия очень ограничено в клетках Пуркинье мозжечка. [14] но весьма распространен в интернейронах среднего ганглиозного слоя мозжечковой доли некоторых рыб. [15]
Синаптический ввод
[ редактировать ]Потенциалы действия могут сначала генерироваться на дендритах, если их стимулировать сильными синхронными синаптическими входами. [16] Способность дендрита инициировать потенциал действия не только сильно зависит от синаптического входа, но также от количества потенциалзависимых каналов и плотности потенциалзависимых каналов, присутствующих в мембране.
Пространственное суммирование
[ редактировать ]
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 спайки могут образовываться посредством пространственного суммирования . Пространственное суммирование включает в себя добавление нескольких входных сигналов, что приводит к увеличению сигнала и, возможно, к дендритному выбросу. Было показано, что нейроны CA1 гиппокампа обеспечивают надежное распространение дендритных спайков за счет пространственного суммирования множественных синаптических входов. В гиппокампе нейроны СА1 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 базальные и апикальные дендриты. (250-500 мкм от сомы). [17] Исследования показывают, что индивидуальной стимуляции PP или SC было недостаточно, чтобы дендритный спайк инициировал потенциал действия. Однако было показано, что когда дендритный спайк возникает из-за стимуляции PP, наличие стимуляции SC определяет, будет ли сигнал распространяться в сому или нет. [17]
Распространение шипов
[ редактировать ]Обратное распространение
[ редактировать ]Дендритные шипы чаще всего распространяются назад от сомы к дистальным дендритным ветвям. [ нужна ссылка ] . Обратное распространение выполняет в нейроне ряд функций, и эти функции различаются в зависимости от типа нейрона. В общем, обратное распространение служит для передачи выходной информации на постсинаптическую мембрану. [4] Во многих нейронах, высвобождающих нейротрансмиттеры, обратное распространение дендритных шипов сигнализирует о высвобождении нейромедиаторов. [18] Например, митральные клетки , по-видимому, служат одновременно и проекционными нейронами, и локальными интернейронами. Если выход аксонов митральной клетки прекращается из-за соматического торможения, локальные дендритные потенциалы действия заставляют митральную клетку высвобождать нейротрансмиттеры в окружающую среду. [18] Обратное распространение дендритных шипов было продемонстрировано в различных типах нейронов головного мозга, но редко изучалось за пределами мозга. [ нужна ссылка ] . Помимо нейронов головного мозга, дендритные спайки наблюдались в нейронах спинного мозга. [ нужна ссылка ] .
Прямое распространение
[ редактировать ]Распространение дендритных спайков вперед инициируется синаптической активностью и относится к передаче сигнала к соме. [17] Сила синаптической стимуляции, необходимая для создания дендритного спайка, варьируется в зависимости от типа нейронов. Нейроны, которые получают относительно мало входных сигналов, 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 пирамидальные нейроны , полагаются на пространственное суммирование нескольких входных сигналов для генерации распространяющихся вперед дендритных спайков. Прямое распространение не совсем изучено, и этому вопросу посвящено много исследований. [ нужна ссылка ] . Так считает большинство экспертов
 | Эта статья содержит неприятные слова : расплывчатые формулировки, которые часто сопровождают предвзятую или непроверяемую информацию . ( май 2018 г. ) |
что это явление не происходит в нейронах за пределами мозга.
Пластичность, зависящая от времени всплеска
[ редактировать ]
Зависимая от времени спайка пластичность (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, наполненные нейротрансмиттерами, обычно глутаматом, в синаптическую щель . Нейромедиаторы связываются с рецепторами на постсинаптической мембране, открывая лиганд-зависимые каналы, вызывая деполяризацию мембраны.
NMDA- рецепторы расположены по всей постсинаптической мембране и действуют как детектор совпадений. NMDA обнаруживает как глутамат, высвобождаемый пресинаптическими везикулами, так и деполяризацию постсинаптической мембраны. Рецептор NMDA блокируется ионами магния в зависимости от напряжения. Деполяризация постсинаптической мембраны (т.е. распространяющийся назад дендритный спайк) приводит к удалению ионов магния из канала, что способствует открытию канала. Таким образом, активация рецептора NMDA обеспечивает приток кальция. Нейроны, которые «срабатывают вместе», относятся к усилению синаптических связей через NMDA-рецепторы, когда высвобождение глутамата совпадает с постсинаптической деполяризацией. [3] Эта форма подключения известна как долговременное потенцирование . Синаптическая связь также может быть ослаблена, когда активность нейронов не коррелирует, что также известно как длительная депрессия .
Зависимость постсинаптической деполяризации при STDP указывает на важность дендритных спайков. В общем, постсинаптическая деполяризация происходит одновременно с пресинаптической активностью, когда сигнал, распространяющийся в обратном направлении, достигает постсинаптической мембраны. Дендритные спайки позволяют сигналам, распространяющимся в обратном направлении, достигать постсинаптической мембраны и деполяризовать ее. Усиление и ослабление синаптических связей — один из предлагаемых методов формирования и обучения памяти.
Экспериментальные методы
[ редактировать ]Двухфотонный глутамат
[ редактировать ]Двухфотонное разблокирование глутамата, тип фотостимуляции , стало основным инструментом для изучения дендритных шипов благодаря своему высокому уровню точности. [19]
Патч зажим
[ редактировать ]
Запись патч-клампа 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, в раствор помещается серебряная проволока для проведения и усиления электрических сигналов. Раствор ионов можно варьировать, а лекарства можно доставлять через микропипетку для изучения воздействия тока в различных условиях. Антагонисты рецепторов и потенциалзависимых каналов часто применяются (например, никель используется для блокирования рецепторов NMDA) для изучения влияния ионных каналов на инициацию дендритных спайков. [10] Подача тока часто сочетается с записями патч-кламп, чтобы наблюдать модуляцию тока, вызванную различными экспериментальными факторами.
Внеклеточная электрофизиология
[ редактировать ]регистрации тетродов иногда позволяют наблюдать дендритные мембранные потенциалы и дендритные потенциалы действия. Также было показано, что методы [20] Интересно, что парадигма хронической записи, которая продемонстрировала это, также показала, что свойства дендритного напряжения демонстрируют эгоцентрические пространственные карты, сравнимые с пирамидными нейронами. Это редкое явление может быть связано с глиальной оболочкой . [21] Формируясь вокруг кончиков тетрода, создается море с высоким импедансом, похожее на гигаомную печать в записях патчей , что позволяет проводить такие небольшие и локализованные измерения напряжения.
Окрашивание и маркировка
[ редактировать ]Методы окрашивания и маркировки часто используются в микроскопии, чтобы помочь идентифицировать определенные структуры в клетке. Окрашивание обычно предполагает использование красителей, которые с разной скоростью поглощаются различными клеточными структурами. Маркировка предполагает использование флуоресценции для идентификации конкретных молекул. Флуорофоры , флуоресцентные молекулы, могут быть прикреплены непосредственно к антителу или присоединены к нему для обнаружения конкретной мишени. В случае дендритных шипов окрашивание и маркировка используются для идентификации и количественной оценки присутствия определенных потенциалзависимых каналов. Например, поликлональные антитела кролика, полученные против синтетических пептидных последовательностей, были использованы для идентификации присутствия натриевых каналов Nav1.2, Nav1.3 и Nav1.6 в дендритах нейрона бледного шара. [8]
Компьютерное моделирование
[ редактировать ]Вычислительное моделирование нейронов, искусственные нейронные сети , стало очень популярным инструментом в исследовании свойств нейрональной передачи сигналов. Эти модели основаны на биологических нейронных сетях. Компьютерное моделирование можно использовать для изучения отдельных нейронов, групп нейронов или даже сетей нейронов. Эта область вызвала большой интерес и служит инструментом для всех отраслей нейробиологических исследований, включая инициацию дендритных спайков.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Спенсер, Вашингтон; Кандел, ER (1961). «Электрофизиология нейронов гиппокампа: IV. Быстрые препотенциалы». Журнал нейрофизиологии . 24 (3): 272–285. дои : 10.1152/jn.1961.24.3.272 . ISSN 0022-3077 . ПМИД 25286477 .
- ^ Ллинас, Р.; Николсон, К.; Фриман, Дж.А.; Хиллман, Делавэр (7 июня 1968 г.). «Дендритные спайки и их ингибирование в клетках Пуркинье аллигатора». Наука . 160 (3832): 1132–1135. Бибкод : 1968Sci...160.1132L . дои : 10.1126/science.160.3832.1132 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 5647436 . S2CID 27657014 .
- ^ Перейти обратно: а б Кампа Б.М., Летцкус Дж.Дж., Стюарт Г.Дж. 2007. Дендритные механизмы, контролирующие синаптическую пластичность, зависящую от времени спайков. Тенденции в нейронауках 30:456-63 doi : 10.1016/j.tins.2007.06.010
- ^ Перейти обратно: а б с д Хойссер М., Спрустон Н., Стюарт Г.Дж. 2000. Разнообразие и динамика дендритной передачи сигналов. Наука 290:739-744 дои : 10.1126/science.290.5492.739
- ^ Голдин А.Л. 1999. Разнообразие потенциалзависимых натриевых каналов млекопитающих. Анналы Нью-Йоркской академии наук 868: 38-50 дои : 10.1111/j.1749-6632.1999.tb11272.x
- ^ Колдуэлл Дж. Х., Шаллер К. Л., Лашер Р. С. и др. 2000. Натриевый канал Nav1.6 локализуется в узлах Ранвье, дендритах и синапсах. Труды Национальной академии наук 97.10:5616-5620.
- ^ Лоринц А., Нуссер З. (2010). «Молекулярная идентичность дендритных потенциалзависимых натриевых каналов» . Наука . 328 (5980): 906–9. Бибкод : 2010Sci...328..906L . дои : 10.1126/science.1187958 . ПМЦ 3546315 . ПМИД 20466935 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Хэнсон Дж. Э., Смит Ю., Джагер Д. 2004. Натриевые каналы и инициация дендритных спайков в возбуждающих синапсах в нейронах бледного шара. Журнал неврологии 24:329-40.
- ^ Дельфин AC. 2006. Краткая история потенциалзависимых кальциевых каналов. Британский журнал фармакологии 147:S56-S62.
- ^ Перейти обратно: а б Кампа Б.М., Летцкус Дж.Дж., Стюарт Г.Дж. 2006. Потребность в дендритных кальциевых шипах для индукции синаптической пластичности, зависящей от времени спайков. Журнал физиологии 574.1:283-290.
- ^ Перейти обратно: а б Гаук В., Томанн М., Джагер Д. и др. 2001. Пространственное распределение низко- и высоковольтно-активируемых кальциевых токов в нейронах глубоких ядер мозжечка. Журнал неврологии 21:1-4
- ^ Хоффман Д.А., Маги Дж.К., Колберт К.М. и др. Регуляция К+-канала распространения сигнала в дендритах пирамидного нейрона гиппокампа. Природа 387:869-875
- ^ Ма Дж., Лоу Г. 2004. Обратное распространение потенциала действия и мультигломерулярная передача сигналов в вомероназальной системе крыс. Журнал неврологии 24(42):9341-9352.
- ^ Ллинас Р., Сугимори М. 1980. Электрофизиологические свойства дендритов клеток Пуркинье in vitro в срезах мозжечка млекопитающих. Журнал физиологии 305:197-213.
- ^ Гомес Л., Канневорф М., Буделли Р., Грант К. 2005. Обратное распространение дендритных шипов в электросенсорной доле Gnathonemus petersii. Журнал экспериментальной биологии 208:141-55.
- ^ Голдинг Н.Л., Спрустон Н. 1998. Дендритные натриевые спайки являются переменными триггерами аксональных потенциалов действия в пирамидных нейронах CA1 гиппокампа. Нейрон 21:1189-1200
- ^ Перейти обратно: а б с д Ярски Т., Роксин А., Кэт В.Л., Спрустон Н. 2005. Условное распространение дендритных спайков после дистальной синаптической активации пирамидных нейронов CA1 гиппокампа. Природная неврология 8:1667-76
- ^ Перейти обратно: а б Чен В.Р., Шен Г.И., Шепард Г. и др. 2002. Множественные способы инициации и распространения потенциала действия в первичном дендрите митральных клеток. Журнал нейрофизиологии 88: 2755-2764.
- ^ Юдкевиц, Бенджамин; Рот, Арнд; Хойссер, Михаэль (20 апреля 2006 г.). «Дендритное просветление: использование шаблонного двухфотонного раскрытия клеток для раскрытия секретов мельчайших дендритов мозга» . Нейрон . 50 (2): 180–183. дои : 10.1016/j.neuron.2006.04.011 . ISSN 0896-6273 . ПМИД 16630828 .
- ^ Мур, Джейсон Дж.; Равассар, Паскаль М.; Хо, Дэвид; Ачарья, Лаванья; Кис, Эшли Л.; Вуонг, Клифф; Мехта, Маянк Р. (24 марта 2017 г.). «Динамика потенциала кортикальной дендритной мембраны и всплески у свободно ведущих себя крыс». Наука . 355 (6331): eaaj1497. дои : 10.1126/science.aaj1497 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 28280248 . S2CID 33117933 .
- ^ Поликов Вадим С.; Треско, Патрик А.; Райхерт, Уильям М. (15 октября 2005 г.). «Реакция ткани головного мозга на хронически имплантированные нервные электроды». Журнал методов нейробиологии . 148 (1): 1–18. doi : 10.1016/j.jneumeth.2005.08.015 . ISSN 0165-0270 . ПМИД 16198003 . S2CID 11248506 .