Кіріспе
Бір аксоннан кіріс алатын дендриттің кішігірім шығыңқысы. Дендриттік омыртқа (немесе омыртқа) – бұл нейронның дендритінен шығатын кішкентай мембраналық түзілім, ол әдетте синапс арқылы бір аксоннан сигнал қабылдайды. Дендриттік омыртқалар синапстық күшті сақтау ортасы болып табылады және нейронның жасуша денесіне электр сигналдарын жеткізуге көмектеседі. Көптеген омыртқалардың дөңгелек бас бөлігі (омыртқа басы) және омыртқа басын дендриттің өзегімен байланыстыратын жіңішке мойны болады. Бір нейронның дендриттерінде жүздеген, тіпті мыңдаған омыртқалар болуы мүмкін. Ес сақтау және синапстық беріліс үшін анатомиялық негізді қамтамасыз етуден басқа, олар нейрондар арасындағы байланыс мүмкіндіктерінің санын арттыруға да септігін тигізеді.
A dendritic spine (or spine) is a small membranous protrusion from a neuron's dendrite that typically receives input from a single axon at the synapse. Dendritic spines serve as a storage site for synaptic strength and help transmit electrical signals to the neuron's cell body. Most spines have a bulbous head (the spine head), and a thin neck that connects the head of the spine to the shaft of the dendrite. The dendrites of a single neuron can contain hundreds to thousands of spines. In addition to spines providing an anatomical substrate for memory storage and synaptic transmission, they may also serve to increase the number of possible contacts between neurons.
Құрылымы
Дендриттік тікендер кішкентай, олардың басының көлемі 0,01 мкм³-тен 0,8 мкм³-қа дейін ауыспалы. Күшті синапстық байланысы бар тікендерде әдетте үлкен тікенек басы болады, ол мембраналық мойын арқылы дендритке жалғанады. Ең көп танылған тікенек пішіндері – "жұқа", "қысқа", "саңырауқұлақ" және "бірсыныпты". Электрондық микроскопиялық зерттеулер көрсеткендей, бұл санаттар арасында пішіндердің үздіксіздігі бар. Тікенек пішіні мен көлемінің өзгергіштігі әрбір тікенек синапсының күшімен және даму деңгейімен байланысты деп саналады.
Тарату
Дендриттік тікендер әдетте аксондардан қоздырғыш сигналдарды қабылдайды, бірақ кейде бір тікен басына тежегіш және қоздырғыш байланыстар орнатылады. 2015 жылы Лихтман зертханасы көрсеткендей, дендриттік тікендерге қоздырғыш аксонның жақындығы синапс бар екенін болжау үшін жеткіліксіз. Мидың көптеген негізгі нейрондарының дендриттерінде тікендер табылады, оның ішінде неокортекстің пирамидалық нейрондары, стриатумның орта тікенді нейрондары және мишықтың Пуркинье жасушалары. Дендриттік тікендер 1 мкм дендритке шамамен 5 тікенге дейін жиілікпен кездеседі. Гиппокамп және қыртыстың пирамидалық нейрондары басқа нейрондардан олардың санымен тең тікендеріне ондаған мыңдаған, көбінесе қоздырғыш сигналдар алады, ал Пуркинье нейронының дендриттеріндегі тікендердің саны бірнеше есе көп.
Цитоскелет және органеллер
Дендриттік тікендердің цитоскелеті олардың синапты пластикалық қасиеттері үшін өте маңызды; динамикалық цитоскелет болмаса, тікендер стимулдарға жауап ретінде өз көлемдерін немесе пішіндерін жылдам өзгерте алмайды. Пішіндегі бұл өзгерістер тікеннің электрлік қасиеттеріне әсер етуі мүмкін. Дендриттік тікендердің цитоскелеті негізінен талшықты актиннен (F-актин) тұрады. Тубулин мономерлері және микротубуламен байланысқан ақуыздар (MAP) және ұйымдасқан микротубулалар кездеседі. Тікендердің цитоскелеті негізінен актиннен құралғандықтан, олар пішін мен өлшем жағынан жоғары динамикалық болуға мүмкіндік алады. Актин цитоскелеті тікеннің морфологиясын тікелей анықтайды, ал актин регуляторлары, Rac, RhoA және CDC42 сияқты кішкентай GTPаздар бұл цитоскелетті жылдам өзгертеді. Rac1 белсенділігінің жоғарылауы дендриттік тікендердің тұрақты түрде кішіреюіне әкеледі. Электрофизиологиялық белсенділігімен және рецепторлар арқылы жүзеге асырылатын белсенділігімен қатар, тікендерде везикулалық белсенділік байқалады және тіпті ақуыздарды трансляциялауы мүмкін. Дендриттік тікендерде тегіс эндоплазмалық тордың (СЭР) жиналған дискілері анықталды. Бұл "тікен аппаратының" қалыптасуы синаптоподин ақуызына байланысты және кальцийді басқаруда маңызды рөл атқарады деп саналады. "Жай" везикулалар да тікендерде анықталды, бұл дендриттік тікендердегі везикулалық белсенділікті қолдайды. Тікендерде полирибосомалардың болуы тікеннің өзінде, дендриттерде ғана емес, ақуыз трансляциясының белсенділігін көрсетеді.
Морфогенез
Дендриттік тікендердің морфогенезі ұзақ мерзімді потенциациялауды (ҰМП) тудыру үшін өте маңызды. Тікеннің морфологиясы актиннің күйіне байланысты, яғни шар тәрізді (G актин) немесе жіп тәрізді (F актин) түрінде болады. Rho GTPазалар тобының актиннің тұрақтылығы мен тікеннің қозғалғыштығына тигізетін әсері есте сақтау үшін маңызды. Егер дендриттік тікен ақпаратты сақтаудың негізгі бірлігі болса, онда тікеннің өздігінен созылу және қысқару қабілеті шектелуі тиіс. Әйтпесе, ақпарат жоғалуы мүмкін. Rho GTPазалар тобы актин полимерленуін күшейтетін процеске маңызды үлес қосады, ал бұл өз кезегінде тікеннің мөлшері мен пішінін арттырады. Ірі тікендер кішкентай тікендерге қарағанда тұрақтырақ болады және қосымша синаптық белсенділіктің әсеріне төзімді болуы мүмкін. Дендриттік тікендердің пішіні мен мөлшерінің өзгеруі қоздырғыш синаптық байланыстардың күшімен байланысты және оның негізгі актин цитоскелетінің қайта құрылуына тікелей тәуелді болғандықтан, актиннің реттелу механизмдері, демек Rho GTPазалар тобы, дендриттік тікендердің қалыптасуы, жетілуі және пластикалық өзгерістері, сондай-ақ оқу және есте сақтау үшін маңызды.
RhoA жолы
Омыртқа морфогенезіне қатысатын маңызды Rho GTPазаларының бірі – RhoA, бұл сонымен қатар жасуша бөлінісінің реттелуі мен уақытын бақылайтын белок. Нейрондардағы белсенділік контекстінде RhoA былай белсендіріледі: кальций NMDA рецепторлары арқылы жасушаға енгеннен кейін, ол кальмодулинмен байланысып, CaMKII-ді белсендіреді, бұл RhoA-ның белсендірілуіне алып келеді. 2011 жылы Муракоши және авторлар тобы жүргізген зерттеу дендриттік омыртқа морфогенезінде Rho GTPазалары RhoA және Cdc42-нің қатысты екенін көрсетті. Екі GTPаза да егеуқырдың гиппокампының CA1 аймағындағы пирамидалық нейрондардың жеке дендриттік тікенектерінде ұзақ мерзімді потенцияция стимулдарынан туындаған құрылымдық пластика кезінде жылдам белсендірілді. Бір мезгілде RhoA және Cdc42 белсенділігі арқалық тікенектердің өсуіне дейін 300%-ға дейін әкеп соқты, бұл бес минут бойына уақытша ұлғаюды қамтамасыз етті, содан кейін 30 минут бойы кішірек, бірақ тұрақты өсімге айналды. NMDA рецепторлары арқылы жасушаға келетін кальций кальмодулинмен байланысып, Ca2+/кальмодулинге тәуелді белок киназа II (CaMKII) белсендіреді. Кезекпен CaMKII белсендіріледі, бұл Cdc42-ні белсендіреді, содан кейін кальций мен CaMKII-ге кері байланыс сигналдары түспейді. Егер мономерлік күшейтілген жасыл флуоресцентті ақуызбен белгіленсе, Cdc42 белсенділігі дендриттің стимулданған тікенімен шектелетінін көруге болады. Бұл молекула пластика кезінде үнемі белсендіріліп, тікенектерден тарағаннан кейін бірден инактивацияланады. Бөлімделген белсенділігіне қарамастан, Cdc42 әлі де RhoA сияқты стимулданған тікенектерден қозғалмалы болып табылады. Cdc42 PAK-ті белсендіреді, бұл ADF/кофилинді фосфорилеу арқылы инактивациялайтын белок киназасы. Кофилиннің инактивациялануы актиннің полимерленуіне және тікенек көлемінің ұлғаюына әкеледі. Осы тікенек көлемінің ұлғаюын қамтамасыз ету үшін Cdc42 белсенділігі қажет.
Құрылымдық пластикалық қасиеттердегі байқалатын өзгерістер
Муракоши, Ванг және Ясуда (2011) Rho GTPазаның белсендірілуінің жеке дендриттік тікендердің құрылымдық пластикасына тигізетін әсерін зерттеді, соның нәтижесінде өткінші және тұрақты фазалар арасындағы, сондай-ақ қызметке тәуелсіздік арасындағы айырмашылықтарды анықтады. BDNF тікендердің деңгейін ішінара анықтайды, ал тікендердің тірі қалуын сақтау үшін AMPA рецепторларының төмен деңгейде белсенділігі қажет, ал NMDA рецепторларына қатысты синаптық белсенділік тікендердің өсуін күшейтеді. Бұдан әрі, екі фотонды лазерлік сканерлеу микроскопиясы және конфокалды микроскопия тікендердің көлемінің синапсқа ұсынылатын стимулдардың түріне байланысты өзгеретінін көрсетті.
Маңыздылығының дәлелі
Омыртқаның пластикалық қасиеттері мотивацияға, оқуға және есте сақтауға қатысты. Атап айтқанда, ұзақ мерзімді есте сақтау белгілі бір нейрондық жолды нығайту үшін жаңа дендриттік тікендердің өсуімен (немесе бұрыннан бар тікендердің кеңеюімен) байланысты. Дендриттік тікендердің өмір сүру ұзақтығы кіріс белсенділігіне тәуелді болғандықтан, тікендердің динамикасы өмір бойы есте сақтауды сақтауда маңызды рөл атқарады. Омыртқаның тұрақтылығы даму оқуына әсер етеді. Жастықта дендриттік тікендердің айналуы салыстырмалы түрде жоғары және тікендердің жалпы жоғалуына алып келеді. Бұл жоғары айналу дамудың маңызды кезеңдерін көрсетеді және жасөспірім шақта оқу қабілетін көрсетеді. Ми қабығының әртүрлі аймақтары даму кезінде синапты айналудың әртүрлі деңгейін көрсетеді, бұл мидың белгілі бір аймақтары үшін әртүрлі маңызды кезеңдерді көрсетеді. Бұл жаңа дағдыны оқу нейрондық тізбектерді қайта құру процесін қамтиды дегенді білдіреді. Омыртқаның қайта құрылу деңгейі оқу сәттілігімен байланысты болғандықтан, бұл есте сақтаудың қалыптасуында синапты құрылымның пластикалық қасиеттерінің маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. Неврологиялық аурулар мен жарақаттарға қатысты зерттеулер тікендердің айналу сипаты мен маңыздылығына қосымша жарық түсіреді. Инсульттің салдарынан жарақат алған жерге жақын құрылымдық пластикалық қасиеттер айқын түрде артады және тікендердің айналуы бақылау деңгейінен 5-8 есеге жоғарылайды. Дендриттер тез ыдырайды және қайта жиналады – инсульт кезінде де дендриттік тікендердің айналуының артуы байқалады. Альцгеймер ауруы және зиякерлік қабілетінің төмендеуі кезінде тікендердің жалпы жоғалуы байқалады, ал кокаин мен амфетамин қолдануы префронталды қабық пен ядролық тығыздықта дендриттік тармақтанудың және тікендердің тығыздығының артуымен байланысты. Ми мен омыртқа миының әртүрлі ауруларында тікендердің тығыздығындағы маңызды өзгерістер болғандықтан, бұл қалыпты жағдайда тікендер динамикасының тепе-теңдік күйін көрсетеді, ол әртүрлі патологиялық жағдайларда бұзылуға ұшырауы мүмкін. Сондай-ақ, қартаюдың салдарынан дендриттік тікендердің жоғалуы туралы бірнеше дәлелдер бар. Тышқандарды қолданған бір зерттеу гиппокамптағы тікендердің тығыздығының жасқа байланысты төмендеуі мен гиппокамптың оқу және есте сақтау қабілетінің жасқа байланысты төмендеуі арасындағы байланысты анықтады. Соңғы деректер, сондай-ақ, омыртқа миының ауырсынуды өңдеу жүйесінің ауырсынуды қабылдау аймақтарында, соның ішінде арқа мүйізінің үстіңгі және аралық аймақтарында дендриттік тікендердің аномалияларын көрсетті. Жалпы алғанда, дендриттік тікендер ми мен омыртқа миының қалыпты жұмыс істеуі үшін маңызды екеніне дәлелдер бар. Тікендердің морфологиялық өзгерістері тек синапты пластикалық қасиеттерге және ақпаратты өңдеуге ғана әсер ететін жоқ, сонымен қатар көптеген неврологиялық ауруларда маңызды рөл атқарады. Бұдан әрі, тікендердің тығыздығының немесе мөлшерінің тіпті шағын өзгерістері нейрондық желілердің қасиеттеріне әсер етуі мүмкін, бұл когнитивтік немесе көңіл-күйдің өзгеруіне, оқу және есте сақтаудың бұзылуына, сондай-ақ ауырсыну сезімталдығының күшеюіне әкелуі мүмкін.
Модельдеу
Теориялық тұрғыдан алғанда, ондаған жылдар бойы тікендердің электрлік функциясы туралы гипотезалар айтылып келді, бірақ олардың электрлік қасиеттерін зерттеу мүмкін болмағандықтан, теориялық жұмыстар көп қадам баспады. Жақында бейнелеу техникаларындағы жетістіктер және екі фотонды глютаматты босатуды жиі пайдалану көптеген жаңа жаңалықтарға жол ашты; қазіргі таңдағы күмәніміз омыртқа басында кернеуге тәуелді натрий, калий және кальций каналдары бар деген болжамға саяды. Кабельдік теория пассивті нейрон талшықтары арқылы электр тогының ағынын модельдеудің ең "қарапайым" әдісі үшін теориялық негізді ұсынады. Әр тікенді екі бөлікке бөлуге болады: біреуі мойын, екіншісі тікен басы. Тікен басын бейнелейтін бөлік ғана белсенді қасиеттерге ие болуы керек.
Баер мен Ринцельдің континуумдық моделі
Көптеген тікендер арасындағы өзара әрекеттесуді талдауды жеңілдету үшін Baer & Rinzel жаңа кабельдік теорияны жасады, онда тікендердің таралуы үздіксіз орта ретінде қарастырылады. Осы модельде тікен басының кернеуі – жақын орналасқан тікендердегі мембраналық потенциалдың жергілікті кеңістіктік орташасы болып табылады. Бұл формула көршілес тікендер арасында тікелей электрлік байланыс жоқ екенін сақтайды; тікендердің өзара әрекеттесуіне дендриттер бойымен кернеу таралуы ғана мүмкіндік береді.
Шекті-диффузиялық-шекті модель
SDS моделі толық Baer және Rinzel моделінің есептеу жағынан қарапайым нұсқасы ретінде жасалған. Ол аналитикалық түрде шешілетіндей және омыртқа мойнының қарсылығы сияқты ең маңызды параметрлерін сақтай отырып, мүмкіндігінше аз еркін параметрлерге ие болу үшін жобаланды. Модель континуумдық жуықтауды қолданбайды, оның орнына дискретті нүктелерде қосылған қозғыш тікендерге жалғанған пассивті дендритті пайдаланады. Тікендердегі мембрана динамикасы интегралдау және оқшаулау процестері арқылы модельделеді. Импульстік оқиғалар дискретті түрде модельделеді, ал толқын пішіні әдетте тікбұрышты функция түрінде бейнеленеді.
Омыртқадағы кальций транзиенттерін модельдеу
Тікендердегі кальций транзиенттері синапты пластикалық өзгерістердің маңызды себебі болып табылады. Кальцийге жоғары өткізгіштігі бар NMDA рецепторлары иондарды тек қана мембраналық потенциал жеткілікті деполяризацияланған кезде өткізеді. Сондықтан, синаптық белсенділік кезінде тікенге кіретін кальций мөлшері тікен басының деполяризациясына байланысты. Кальцийті бейнелеу эксперименттерінен (екі фотондық микроскопия) және бөлімделген модельдеуден алынған мәліметтер, жоғары кедергісі бар мойындары бар тікендер синаптық белсенділік кезінде үлкен кальций транзиенттерін бастан кешіретінін көрсетеді.
Даму
Дендриттік тікендер дендриттік біліктерден немесе дендриттік филоподиялардан тікелей дами алады. Туғаннан кейінгі алғашқы аптада мида филоподиялар басым болады, олар кейіннен синапстарды қалыптастырады. Бірақ, осы алғашқы аптадан кейін филоподиялар тікенді дендриттермен алмастырылады, сондай-ақ тікенді дендриттерден шығатын кішкентай, қысқа тікендер де пайда болады. Кейбір филоподиялардың тікендерге айналуы кезінде филоподиялар дендритке пресинаптикалық байланысты тартады, бұл пресинаптикалық өскіндермен мамандырылған постсинаптикалық байланысты қамтамасыз ету үшін тікендердің пайда болуын ынталандырады. Дегенмен, тікендер қалыптасқаннан кейін пісіп жетілуі керек. Піспеген тікендердің сигнал беру қабілеті төмендеген, әдетте "бастары" болмайды (немесе өте кішкентай болады), тек мойындары ғана болады, ал піскен тікендер басы мен мойынын сақтайды.
Клиникалық маңызы
Жаңа зерттеулер қорқыныш тәуелді ауруларда омыртқа тығыздығындағы бұзылыстарды көрсетіп отыр. Ересек және дамымаған омыртқалардың арақатынасы олардың сигнал беруінде маңызды, себебі дамымаған омыртқалардың синаптық сигнал беруі нашарлайды. Хүлді Х синдромында қыртыс дендриттерінде көптеген филоподиялары бар дамымаған омыртқалардың артық болуымен сипатталады.
Тарих
Дендриттік тікендерді тұңғыш рет 19 ғасырдың соңында Сантьяго Рамон и Кахаль кішкентай ми нейрондарының үстінде сипаттады. Рамон и Кахаль дендриттік тікендердің нейрондар арасындағы байланыс орны ретінде қызмет ете алатынын болжады. Бұл 50 жылдан астам уақыттан кейін электронды микроскопияның дамуының арқасында дәлелденді. Тірі тіндерде конфокалды микроскопия пайда болғанға дейін, тікендердің ұрықтық даму кезеңінде қалыптасып, туғаннан кейін өзгермейтіні қабылданған еді. Осы түсінік бойынша, жасушалық деңгейде есте сақтау процестерін түсіндіру үшін синапстық салмақтың өзгеруі жеткілікті деп есептелді. Бірақ шамамен он жылдан бері конфокалды микроскопияның жаңа әдістері дендриттік тікендердің икемді және динамикалық құрылымдар екенін көрсетті, олар туғаннан кейін де үнемі жаңаруға ұшырайды.