Введение
Небольшой выступ на дендрите, принимающий вход от одного аксона.
Дендритный шип (или просто шип) – это небольшой мембранный выступ из дендрита нейрона, который обычно принимает вход от одного аксона в синапсе. Дендритные шипы служат местом хранения синаптической силы и помогают передавать электрические сигналы к телу нейрона. Большинство шипов имеют утолщенную головку (головку шипа) и тонкую шейку, соединяющую головку шипа с телом дендрита. Дендриты одного нейрона могут содержать от сотен до тысяч шипов. Помимо обеспечения анатомической основы для хранения памяти и синаптической передачи, шипы также могут увеличивать количество возможных контактов между нейронами.
Структура
Дендритные шипы небольшие, с объемом головки шипа от 0,01 мкм³ до 0,8 мкм³. Шипы с прочными синаптическими контактами обычно имеют большую головку, которая соединяется с дендритом посредством мембранной шейки. Наиболее распространенные типы формы шипов – "тонкие", "короткие", "грибовидные" и "раздвоенные". Исследования с использованием электронной микроскопии показали, что между этими категориями существует непрерывный спектр форм. Изменчивость формы и объема шипов, как полагают, связана с силой и зрелостью каждого синапса шипа.
Распространение
Дендритные шипы обычно получают возбуждающий вход от аксонов, хотя в некоторых случаях как ингибиторные, так и возбуждающие связи формируются на одной и той же головке шипа. Близость возбуждающего аксона к дендритному шипу не является достаточным условием для предсказания наличия синапса, что было продемонстрировано лабораторией Лихтмана в 2015 году. Шипы обнаруживаются на дендритах большинства основных нейронов мозга, включая пирамидальные нейроны неокортекса, средние шипастые нейроны стриатума и клетки Пуркинье мозжечка. Плотность дендритных шипов может достигать 5 шипов на 1 мкм длины дендрита. Гиппокампальные и кортикальные пирамидальные нейроны могут получать десятки тысяч преимущественно возбуждающих входов от других нейронов на свои многочисленные шипы, в то время как количество шипов на дендритах клеток Пуркинье на порядок выше.
Цитоскелет и органеллы
Цитоскелет дендритных шипов особенно важен для их синаптической пластичности; без динамичного цитоскелета шипы не смогли бы быстро изменять свой объем или форму в ответ на стимулы. Эти изменения формы могут влиять на электрические свойства шипа. Цитоскелет дендритных шипов состоит главным образом из филаментозного актина (F-актина). Присутствуют мономеры тубулина и белки, связанные с микротрубочками (MAP), а также организованные микротрубочки. Поскольку цитоскелет шипов состоит преимущественно из актина, это позволяет им быть высокодинамичными по форме и размеру. Актиновый цитоскелет непосредственно определяет морфологию шипа, а регуляторы актина – небольшие GTPазы, такие как Rac, RhoA и CDC42 – быстро модифицируют этот цитоскелет. Повышенная активность Rac1 приводит к последовательно уменьшению дендритных шипов. Помимо электрофизиологической и рецептор-опосредованной активности, шипы, по-видимому, проявляют везикулярную активность и даже могут осуществлять трансляцию белков. В дендритных шипах были обнаружены стопки дисков гладкого эндоплазматического ретикулума (ГЭР). Формирование этого "шипового аппарата" зависит от белка синаптоподина и, как считается, играет важную роль в регуляции кальция. В шипах также были идентифицированы "гладкие" везикулы, подтверждающие везикулярную активность в дендритных шипах. Наличие полирибосом в шипах также указывает на протеиновый синтез непосредственно в шипе, а не только в дендрите.
Морфогенез
Морфогенез дендритных шипиков критически важен для индукции долговременной потенциации (ДПП). Морфология шипика зависит от состояния актина, находящегося либо в глобулярной (G-актин), либо в филаментарной (F-актин) форме. Роль семейства Rho-ГТФаз и их влияние на стабильность актина и подвижность шипиков имеет важное значение для памяти. Если дендритный шипик является основной единицей хранения информации, то его способность к спонтанному удлинению и укорочению должна быть ограничена. В противном случае информация может быть утрачена. Семейство Rho-ГТФаз вносит существенный вклад в процесс, стимулирующий полимеризацию актина, что, в свою очередь, увеличивает размер и форму шипика. Крупные шипики более стабильны, чем мелкие, и могут быть устойчивы к модификации дополнительной синаптической активностью. Поскольку изменения формы и размера дендритных шипиков коррелируют с силой возбуждающих синаптических связей и в значительной степени зависят от ремоделирования лежащего в их основе актинового цитоскелета, специфические механизмы регуляции актина, а следовательно, и семейство Rho-ГТФаз, являются неотъемлемой частью формирования, созревания и пластичности дендритных шипиков, а также обучения и памяти.
Путь RhoA
Одной из основных Rho GTPases, участвующих в морфогенезе шипиков, является RhoA, белок, который также модулирует регуляцию и время клеточного деления. В контексте активности нейронов, RhoA активируется следующим образом: когда кальций поступает в клетку через NMDA-рецепторы, он связывается с кальмодулином и активирует CaMKII, что приводит к активации RhoA. Исследование, проведенное Муракоши и др. в 2011 году, показало, что Rho GTPases RhoA и Cdc42 участвуют в морфогенезе дендритных шипиков. Обе ГТФазы быстро активировались в отдельных дендритных шипиках пирамидальных нейронов области CA1 гиппокампа крысы во время структурной пластичности, вызванной стимулами долговременной потенциации. Одновременная активация RhoA и Cdc42 привела к временному увеличению роста шипиков до 300% в течение пяти минут, которое затем перешло в меньший, но устойчивый рост в течение тридцати минут. Поступление кальция в клетку через NMDA-рецепторы связывается с кальмодулином и активирует Ca2+/кальмодулин-зависимые протеинкиназы II (CaMKII). В свою очередь, CaMKII активируется и активирует Cdc42, после чего обратная связь, направленная к кальцию и CaMKII, отсутствует. Если пометить Cdc42 мономерным улучшенным зеленым флуоресцентным белком, можно увидеть, что его активация ограничена только стимулированным шипиком дендрита. Это происходит потому, что молекула непрерывно активируется во время пластичности и немедленно инактивируется после диффузии из шипика. Несмотря на свою компартментализованную активность, Cdc42, как и RhoA, сохраняет подвижность, покидая стимулированный шипик. Cdc42 активирует PAK, протеинкиназу, которая специфически фосфорилирует и, следовательно, инактивирует ADF/кофилин. Инактивация кофилина приводит к увеличению полимеризации актина и расширению объема шипика. Активация Cdc42 необходима для поддержания этого увеличения объема шипика.
Наблюдаемые изменения в пластичности конструкции
Муракоши, Ванг и Ясуда (2011) изучили влияние активации Rho GTPase на структурную пластичность одиночных дендритных шипиков, выявляя различия между преходящими и устойчивыми фазами, а также фазой, не зависящей от активности. BDNF частично определяет уровень шипиков, а низкий уровень активности AMPA-рецепторов необходим для поддержания их выживаемости, в то время как синаптическая активность с участием NMDA-рецепторов способствует росту шипиков. Кроме того, двухфотонная лазерная сканирующая микроскопия и конфокальная микроскопия показали, что объем шипиков изменяется в зависимости от типа стимулов, предъявляемых синапсу.
Доказательства важности
Пластичность дендритных шипов играет роль в мотивации, обучении и памяти. В частности, долгосрочная память частично опосредована ростом новых дендритных шипов (или увеличением уже существующих шипов) для укрепления определенного нейронного пути. Поскольку дендритные шипы – это пластичные структуры, на продолжительность жизни которых влияет активность входящих сигналов, динамика шипов может играть важную роль в поддержании памяти на протяжении всей жизни. Возрастные изменения скорости обновления шипов позволяют предположить, что стабильность шипов влияет на обучение в процессе развития. В юном возрасте обновление дендритных шипов относительно высокое и приводит к чистому уменьшению их числа. Такая высокая скорость обновления шипов может характеризовать критические периоды развития и отражать способность к обучению в подростковом возрасте. Различные области коры головного мозга демонстрируют разные уровни синаптического обновления в процессе развития, что, возможно, отражает различные критические периоды для конкретных областей мозга, указывая на то, что обучение новому навыку включает в себя процесс перестройки нейронных цепей. Поскольку степень ремоделирования шипов коррелирует с успехом обучения, это свидетельствует о решающей роли синаптической структурной пластичности в формировании памяти. Исследования неврологических заболеваний и травм проливают дополнительный свет на природу и важность обновления шипов. После инсульта наблюдается выраженное увеличение структурной пластичности вблизи области повреждения, а также пяти-восьмикратное увеличение скорости обновления шипов по сравнению с контрольными показателями. Дендриты быстро разрушаются и восстанавливаются во время ишемии – как и при инсульте, у выживших наблюдалось увеличение обновления дендритных шипов. В то время как при болезни Альцгеймера и умственной отсталости наблюдается чистая потеря шипов, употребление кокаина и амфетамина связано с увеличением дендритного ветвления и плотности шипов в префронтальной коре и прилежащем ядре. Поскольку значительные изменения плотности шипов происходят при различных заболеваниях мозга и спинного мозга, это указывает на сбалансированное состояние динамики шипов в нормальных условиях, которое может быть нарушено при различных патологических состояниях. Также имеются некоторые данные о потере дендритных шипов в результате старения. В одном исследовании на мышах была выявлена корреляция между возрастным снижением плотности шипов в гиппокампе и возрастным снижением способности к обучению и запоминанию в гиппокампе. Новые данные также показали аномалии дендритных шипов в областях обработки боли ноцицептивной системы спинного мозга, включая поверхностные и промежуточные зоны заднего рога. В целом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дендритные шипы имеют решающее значение для нормальной функции мозга и спинного мозга. Изменения в морфологии шипов могут не только влиять на синаптическую пластичность и обработку информации, но и играть ключевую роль во многих неврологических заболеваниях. Более того, даже незначительные изменения плотности или размеров дендритных шипов могут влиять на свойства нейронных сетей, что может привести к когнитивным или эмоциональным нарушениям, ухудшению обучения и памяти, а также к повышенной чувствительности к боли.
Моделирование
Теоретики десятилетиями выдвигали гипотезы о потенциальной электрической функции шипиков, но наша неспособность изучать их электрические свойства до недавнего времени сдерживала прогресс в теоретических исследованиях. Недавние достижения в методах визуализации, а также более широкое использование двухфотонного высвобождения глутамата привели к множеству новых открытий. Теперь мы предполагаем, что в головках шипиков присутствуют вольтаж-зависимые натриевые, калиевые и кальциевые каналы. Теория кабеля предоставляет теоретическую основу для наиболее "простого" метода моделирования потока электрических токов вдоль пассивных нервных волокон. Каждый шипик можно рассматривать как два компартмента: один представляет собой шейку, а другой – головку шипика. Активные свойства должны проявляться только в компартменте, представляющем головку шипика.
Модель континуума Баера и Ринцеля
Для облегчения анализа взаимодействий между множеством шипиков, Baer & Rinzel сформулировали новую кабельную теорию, в которой распределение шипиков рассматривается как континуум. В этой модели напряжение на головке шипика представляет собой локальное пространственное среднее мембранного потенциала в соседних шипиках. Данная формулировка сохраняет свойство отсутствия прямой электрической связи между соседними шипиками; распространение напряжения по дендритам – единственный способ их взаимодействия.
Модель шипа-диффузионный шип
Модель SDS была разработана как вычислительно простая версия полной модели Baer и Rinzel. Она была спроектирована таким образом, чтобы быть аналитически решаемой и иметь как можно меньше свободных параметров, сохраняя при этом наиболее значимые, такие как сопротивление шейки синапса. Модель отказывается от континуального приближения и вместо этого использует пассивный дендрит, соединенный с возбудимыми шипиками в дискретных точках. Динамика мембраны в шипиках моделируется с помощью процессов интегрирования и генерации импульсов. События генерации импульсов моделируются дискретно, а форма импульса традиционно представляется прямоугольной функцией.
Моделирование переходных веществ кальция в позвоночнике
Транзиенты кальция в шипиках являются ключевым триггером синаптической пластичности. NMDA-рецепторы, обладающие высокой проницаемостью для кальция, проводят ионы только при достаточном уровне деполяризации мембранного потенциала. Количество кальция, поступающего в шипик во время синаптической активности, таким образом, зависит от деполяризации головки шипика. Данные, полученные в ходе экспериментов по кальциевой визуализации (двухфотонной микроскопии) и компьютерного моделирования, указывают на то, что шипики с шеями высокого сопротивления испытывают более выраженные кальциевые транзиенты во время синаптической активности.
Разработка
Дендритные шипы могут развиваться непосредственно из дендритных стволов или из дендритных филоподий. В течение первой недели после рождения мозг преимущественно состоит из филоподий, которые в конечном итоге формируют синапсы. Однако после этой первой недели филоподии замещаются колючими дендритами, а также небольшими, короткими шипами, выступающими из колючих дендритов. В процессе развития некоторых филоподий в шипы, филоподии устанавливают пресинаптический контакт с дендритом, что способствует образованию шипов для обеспечения специализированного постсинаптического контакта с пресинаптическими выростами. Однако шипы нуждаются в созревании после формирования. Незрелые шипы обладают сниженной способностью к передаче сигналов и, как правило, лишены "головки" (или имеют очень маленькую головку), имея только шейку, в то время как зрелые шипы сохраняют как головку, так и шейку.
Клиническое значение
Новые исследования указывают на аномалии в плотности дендритных шипиков при тревожных расстройствах. Соотношение зрелых и незрелых шипиков важно для их функционирования, так как незрелые шипики демонстрируют нарушенную синаптическую передачу. Синдром хрупкой Х-хромосомы характеризуется избыточным количеством незрелых шипиков с множественными филоподиями в корковых дендритах.
История
Дендритные шипы впервые были описаны в конце XIX века Сантьяго Рамоном-и-Кахалем на нейронах мозжечка. Рамон-и-Кахаль предположил, что дендритные шипы могут служить местами контакта между нейронами. Это было продемонстрировано более чем через 50 лет благодаря появлению электронной микроскопии. До развития конфокальной микроскопии на живых тканях общепринято считалось, что шипы формируются в период эмбрионального развития и затем остаются стабильными после рождения. В рамках этой парадигмы вариации синаптической силы рассматривались как достаточные для объяснения процессов памяти на клеточном уровне. Однако, примерно десять лет назад новые методы конфокальной микроскопии показали, что дендритные шипы на самом деле являются подвижными и динамичными структурами, подвергающимися постоянному обновлению, даже после рождения.