Введение
Небольшая проекция на нейрон, принимающая сигналы. Нейронные дендриты в биологии.
neuronal dendrites in biology
A dendrite (from Greek δένδρον déndron, "tree") or dendron is a branched protoplasmic extension of a nerve cell that propagates the electrochemical stimulation received from other neural cells to the cell body, or soma, of the neuron from which the dendrites project. Electrical stimulation is transmitted onto dendrites by upstream neurons (usually via their axons) via synapses which are located at various points throughout the dendritic tree. Dendrites play a critical role in integrating these synaptic inputs and in determining the extent to which action potentials are produced by the neuron.]] Dendrites are one of two types of protoplasmic protrusions that extrude from the cell body of a neuron, the other type being an axon. Axons can be distinguished from dendrites by several features including shape, length, and function. Dendrites often taper off in shape and are shorter, while axons tend to maintain a constant radius and can be very long. Typically, axons transmit electrochemical signals and dendrites receive the electrochemical signals, although some types of neurons in certain species lack specialized axons and transmit signals via their dendrites. The dendrite of a large pyramidal cell receives signals from about 30,000 presynaptic neurons. Excitatory synapses terminate on dendritic spines, tiny protrusions from the dendrite with a high density of neurotransmitter receptors. Most inhibitory synapses directly contact the dendritic shaft. Synaptic activity causes local changes in the electrical potential across the plasma membrane of the dendrite. This change in membrane potential will passively spread along the dendrite, but becomes weaker with distance without an action potential. To generate an action potential, many excitatory synapses have to be active at the same time, leading to strong depolarization of the dendrite and the cell body (soma). The action potential, which typically starts at the axon hillock, propagates down the length of the axon to the axon terminals where it triggers the release of neurotransmitters, but also backwards into the dendrite (retrograde propagation), providing an important signal for spike timing dependent plasticity (STDP). An autapse is a synapse in which the axon of one neuron transmits signals to its own dendrite. The general structure of the dendrite is used to classify neurons into multipolar, bipolar and unipolar types. Multipolar neurons are composed of one axon and many dendritic trees. Pyramidal cells are multipolar cortical neurons with pyramid shaped cell bodies and large dendrites that extend towards the surface of the cortex (apical dendrite). Bipolar neurons have two main dendrites at opposing ends of the cell body. Many inhibitory neurons have this morphology. Unipolar neurons, typical for insects, have a stalk that extends from the cell body that separates into two branches with one containing the dendrites and the other with the terminal buttons. In vertebrates, sensory neurons detecting touch or temperature are unipolar. Dendritic branching can be extensive and in some cases is sufficient to receive as many as 100,000 inputs to a single neuron. German anatomist Otto Friedrich Karl Deiters is generally credited with the discovery of the axon by distinguishing it from the dendrites. Some of the first intracellular recordings in a nervous system were made in the late 1930s by Kenneth S. Cole and Howard J. Curtis. Swiss Rüdolf Albert von Kölliker and German Robert Remak were the first to identify and characterize the axonal initial segment. Alan Hodgkin and Andrew Huxley also employed the squid giant axon (1939) and by 1952 they had obtained a full quantitative description of the ionic basis of the action potential, leading the formulation of the Hodgkin–Huxley model. Hodgkin and Huxley were awarded jointly the Nobel Prize for this work in 1963. The formulas detailing axonal conductance were extended to vertebrates in the Frankenhaeuser–Huxley equations. Louis Antoine Ranvier was the first to describe the gaps or nodes found on axons and for this contribution these axonal features are now commonly referred to as the Nodes of Ranvier. Santiago Ramón y Cajal, a Spanish anatomist, proposed that axons were the output components of neurons. He also proposed that neurons were discrete cells that communicated with each other via specialized junctions, or spaces, between cells, now known as a synapse. Ramón y Cajal improved a silver staining process known as Golgi's method, which had been developed by his rival, Camillo Golgi.
Дендрит (от греческого δένδρον déndron, "дерево") или дендрон – это разветвленное протоплазматическое продолжение нервной клетки, которое распространяет электрохимическую стимуляцию, полученную от других нейронных клеток, в клеточное тело или сому нейрона, от которого отходят дендриты. Электрическая стимуляция передается на дендриты восходящими нейронами (обычно через их аксоны) посредством синапсов, расположенных в различных точках дендритного дерева. Дендриты играют критическую роль в интеграции этих синаптических входов и определении степени генерации потенциалов действия нейроном. Дендриты – один из двух типов протоплазматических выростов, исходящих из тела нейрона, второй тип – аксон. Аксоны можно отличить от дендритов по нескольким признакам, включая форму, длину и функцию. Дендриты часто сужаются и короче, в то время как аксоны обычно сохраняют постоянный радиус и могут быть очень длинными. Как правило, аксоны передают электрохимические сигналы, а дендриты принимают их, хотя некоторые типы нейронов у определенных видов не имеют специализированных аксонов и передают сигналы через свои дендриты. Дендрит большой пирамидальной клетки получает сигналы примерно от 30 000 пресинаптических нейронов. Возбуждающие синапсы заканчиваются на дендритных шипиках – крошечных выростах дендрита с высокой плотностью рецепторов нейротрансмиттеров. Большинство тормозных синапсов непосредственно контактируют с дендритным стволом. Синаптическая активность вызывает локальные изменения электрического потенциала через плазматическую мембрану дендрита. Это изменение потенциала мембраны пассивно распространяется вдоль дендрита, но ослабевает с расстоянием без потенциала действия. Для генерации потенциала действия необходимо одновременное возбуждение множества возбуждающих синапсов, что приводит к сильной деполяризации дендрита и тела клетки (сомы). Потенциал действия, обычно начинающийся в аксонном холмике, распространяется вдоль аксона к аксонным терминалям, где вызывает высвобождение нейротрансмиттеров, а также обратно в дендрит (ретроградное распространение), обеспечивая важный сигнал для пластичности, зависящей от времени спайка (STDP). Аутапс – это синапс, в котором аксон одного нейрона передает сигналы своему собственному дендриту. Общая структура дендрита используется для классификации нейронов на многополярные, биполярные и униполярные типы. Многополярные нейроны состоят из одного аксона и множества дендритных деревьев. Пирамидальные клетки – это многополярные кортикальные нейроны с пирамидальным телом клетки и большими дендритами, простирающимися к поверхности коры (апикальные дендриты). Биполярные нейроны имеют два основных дендрита на противоположных концах тела клетки. Многие тормозные нейроны имеют такую морфологию. Униполярные нейроны, типичные для насекомых, имеют стебель, отходящий от тела клетки и разделяющийся на две ветви, одна из которых содержит дендриты, а другая – концевые бутоны. У позвоночных сенсорные нейроны, обнаруживающие прикосновение или температуру, являются униполярными. Дендритное ветвление может быть обширным, и в некоторых случаях достаточно для получения до 100 000 входов в один нейрон. Немецкий анатом Отто Фридрих Карл Дайтерс обычно считается первооткрывателем аксона, отличив его от дендритов. Одни из первых внутриклеточных записей в нервной системе были сделаны в конце 1930-х годов Кеннетом С. Коулом и Говардом Дж. Кертисом. Швейцарцы Рудольф Альберт фон Кёлликер и немец Роберт Ремак первыми идентифицировали и охарактеризовали аксональный начальный сегмент. Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли также использовали гигантский аксон кальмара (1939), и к 1952 году они получили полное количественное описание ионной основы потенциала действия, что привело к формулированию модели Ходжкина – Хаксли. Ходжкин и Хаксли совместно получили Нобелевскую премию за эту работу в 1963 году. Формулы, описывающие аксональную проводимость, были расширены на позвоночных в уравнениях Франкенхаузера – Хаксли. Луи Антуан Ранвье первым описал перерывы или узлы, обнаруженные на аксонах, и в честь этого вклада эти аксональные структуры теперь обычно называют узлами Ранвье. Сантьяго Рамон-и-Кахаль, испанский анатом, предположил, что аксоны являются выходными компонентами нейронов. Он также предположил, что нейроны являются дискретными клетками, которые общаются друг с другом посредством специализированных соединений или пространств между клетками, теперь известных как синапс. Рамон-и-Кахаль усовершенствовал метод окрашивания серебром, известный как метод Гольджи, разработанный его соперником, Камилло Гольджи.
neuronal dendrites in biology
A dendrite (from Greek δένδρον déndron, "tree") or dendron is a branched protoplasmic extension of a nerve cell that propagates the electrochemical stimulation received from other neural cells to the cell body, or soma, of the neuron from which the dendrites project. Electrical stimulation is transmitted onto dendrites by upstream neurons (usually via their axons) via synapses which are located at various points throughout the dendritic tree. Dendrites play a critical role in integrating these synaptic inputs and in determining the extent to which action potentials are produced by the neuron.]] Dendrites are one of two types of protoplasmic protrusions that extrude from the cell body of a neuron, the other type being an axon. Axons can be distinguished from dendrites by several features including shape, length, and function. Dendrites often taper off in shape and are shorter, while axons tend to maintain a constant radius and can be very long. Typically, axons transmit electrochemical signals and dendrites receive the electrochemical signals, although some types of neurons in certain species lack specialized axons and transmit signals via their dendrites. The dendrite of a large pyramidal cell receives signals from about 30,000 presynaptic neurons. Excitatory synapses terminate on dendritic spines, tiny protrusions from the dendrite with a high density of neurotransmitter receptors. Most inhibitory synapses directly contact the dendritic shaft. Synaptic activity causes local changes in the electrical potential across the plasma membrane of the dendrite. This change in membrane potential will passively spread along the dendrite, but becomes weaker with distance without an action potential. To generate an action potential, many excitatory synapses have to be active at the same time, leading to strong depolarization of the dendrite and the cell body (soma). The action potential, which typically starts at the axon hillock, propagates down the length of the axon to the axon terminals where it triggers the release of neurotransmitters, but also backwards into the dendrite (retrograde propagation), providing an important signal for spike timing dependent plasticity (STDP). An autapse is a synapse in which the axon of one neuron transmits signals to its own dendrite. The general structure of the dendrite is used to classify neurons into multipolar, bipolar and unipolar types. Multipolar neurons are composed of one axon and many dendritic trees. Pyramidal cells are multipolar cortical neurons with pyramid shaped cell bodies and large dendrites that extend towards the surface of the cortex (apical dendrite). Bipolar neurons have two main dendrites at opposing ends of the cell body. Many inhibitory neurons have this morphology. Unipolar neurons, typical for insects, have a stalk that extends from the cell body that separates into two branches with one containing the dendrites and the other with the terminal buttons. In vertebrates, sensory neurons detecting touch or temperature are unipolar. Dendritic branching can be extensive and in some cases is sufficient to receive as many as 100,000 inputs to a single neuron. German anatomist Otto Friedrich Karl Deiters is generally credited with the discovery of the axon by distinguishing it from the dendrites. Some of the first intracellular recordings in a nervous system were made in the late 1930s by Kenneth S. Cole and Howard J. Curtis. Swiss Rüdolf Albert von Kölliker and German Robert Remak were the first to identify and characterize the axonal initial segment. Alan Hodgkin and Andrew Huxley also employed the squid giant axon (1939) and by 1952 they had obtained a full quantitative description of the ionic basis of the action potential, leading the formulation of the Hodgkin–Huxley model. Hodgkin and Huxley were awarded jointly the Nobel Prize for this work in 1963. The formulas detailing axonal conductance were extended to vertebrates in the Frankenhaeuser–Huxley equations. Louis Antoine Ranvier was the first to describe the gaps or nodes found on axons and for this contribution these axonal features are now commonly referred to as the Nodes of Ranvier. Santiago Ramón y Cajal, a Spanish anatomist, proposed that axons were the output components of neurons. He also proposed that neurons were discrete cells that communicated with each other via specialized junctions, or spaces, between cells, now known as a synapse. Ramón y Cajal improved a silver staining process known as Golgi's method, which had been developed by his rival, Camillo Golgi.
Развитие дендритов
Во время развития дендритов на дифференциацию могут влиять различные факторы, включая модуляцию сенсорных сигналов, загрязнители окружающей среды, температуру тела и употребление наркотических веществ. Например, у крыс, выращенных в темноте, было обнаружено уменьшение количества шипиков в пирамидальных клетках первичной зрительной коры и значительное изменение распределения дендритных ветвей в звездчатых клетках четвертого слоя. Эксперименты, проведенные in vitro и in vivo, показали, что присутствие афферентов и сама активность входных сигналов могут модулировать паттерны дифференциации дендритов. Формирование синапсов необходимо для развития нейронной структуры в функционирующем мозге. Предполагается, что баланс между метаболическими затратами на развитие дендритов и необходимостью охвата рецептивного поля определяет размер и форму дендритов. Развитие дендритов модулируется сложным комплексом вне- и внутриклеточных сигналов, включая факторы транскрипции, взаимодействия лиганд-рецептор, различные сигнальные пути, локальные механизмы трансляции, элементы цитоскелета, форпосты Гольджи и эндосомы. Они способствуют организации дендритов на отдельных телах клеток и их размещению в нейронных цепях. Например, было показано, что белок ZBP1, связывающий «почтовый индекс» β-актина, способствует правильному дендритному ветвлению. К другим важным факторам транскрипции, участвующим в морфологии дендритов, относятся CUT, Abrupt, Collier, Spineless, ACJ6/drifter, CREST, NEUROD1, CREB, NEUROG2 и другие. Секретируемые белки и клеточные поверхностные рецепторы включают нейротрофины и рецепторы тирозинкиназы, BMP7, Wnt/dishevelled, EPHB 1–3, Semaphorin/plexin neuropilin, slit robo, netrin frazzled, reelin. Rac, CDC42 и RhoA служат регуляторами цитоскелета, а к моторным белкам относятся KIF5, динеин, LIS1. Важными секреторными и эндоцитарными путями, контролирующими развитие дендритов, являются DAR3/SAR1, DAR2/Sec23, DAR6/Rab1 и другие. Все эти молекулы взаимодействуют друг с другом, контролируя дендритный морфогенез, включая приобретение специфической дендритной арборизации, регуляцию размера дендритов и организацию дендритов, исходящих из разных нейронов. Ранее считалось, что дендриты лишь пассивно передают электрические сигналы. Эта пассивная передача означает, что изменения напряжения, измеряемые в теле клетки, являются результатом активации дистальных синапсов, распространяющих электрический сигнал к телу клетки без участия вольтаж-зависимых ионных каналов. Теория пассивного кабеля описывает, как изменения напряжения в определенной точке дендрита передают этот электрический сигнал через систему сходящихся дендритных сегментов различного диаметра, длины и электрических свойств. На основе теории пассивного кабеля можно отследить, как изменения морфологии дендритов нейрона влияют на мембранный потенциал в теле клетки и, следовательно, как вариации в архитектуре дендритов влияют на общие выходные характеристики нейрона. Потенциалы действия, инициированные в аксонном холмике, распространяются обратно в дендритную арборацию. Эти потенциалы действия обратного распространения деполяризуют дендритную мембрану и обеспечивают важный сигнал для модуляции синапсов и долговременной потенциации. Обратное распространение не является полностью пассивным, а модулируется наличием вольтаж-зависимых калиевых каналов в дендритах. Кроме того, в некоторых типах нейронов последовательность потенциалов действия обратного распространения может индуцировать кальциевый потенциал действия (дендритный шип) в зонах дендритной инициации.
Пластичность
Сами дендриты, по-видимому, способны к пластическим изменениям на протяжении всей взрослой жизни животных, включая беспозвоночных. Нейронные дендриты содержат различные компартменты, известные как функциональные единицы, способные вычислять поступающие стимулы. Эти функциональные единицы участвуют в обработке входящей информации и состоят из субдоменов дендритов, таких как шипики, ветви или группы ветвей. Следовательно, пластичность, приводящая к изменениям в структуре дендритов, повлияет на коммуникацию и обработку информации в клетке. В период развития морфология дендритов формируется как внутренними программами в геноме клетки, так и внешними факторами, такими как сигналы от других клеток. Однако во взрослой жизни внешние сигналы становятся более влиятельными и вызывают более значительные изменения в структуре дендритов по сравнению с внутренними сигналами в период развития. У самок структура дендритов может изменяться в результате физиологических состояний, индуцированных гормонами в такие периоды, как беременность, лактация и после эстрального цикла. Это особенно заметно в пирамидальных клетках области CA1 гиппокампа, где плотность дендритов может изменяться до 30%. Определенные архитектуры машинного обучения, основанные на дендритных деревьях, показали возможность упрощения алгоритма обучения без снижения производительности.