Dendritisko muguriņu spatiotemporālā dinamika dzīvajās smadzenēs (2014)

Dendritiskie muguriņi ir visuresošas amatieru sinapsju vietas, kas sastopamas zīdītāju smadzenēs, un tādējādi tās var kalpot par funkcionālo sinapšu strukturāliem rādītājiem. Nesenie darbi liecina, ka atmiņu neironu kodēšana var būt saistīta ar straujām mugurkaula veidošanās un eliminācijas izmaiņām. Tehnoloģiskie sasniegumi ir ļāvuši pētniekiem izpētīt mugurkaula dinamiku in vivo attīstības laikā, kā arī dažādos fizioloģiskos un patoloģiskos apstākļos. Mēs uzskatām, ka labāka izpratne par mugurkaula dinamikas spatiotemporālajiem modeļiem palīdzēs izprast pieredzes atkarīgas ķēdes modifikācijas un informācijas apstrādes principus dzīvajās smadzenēs.

IEVADS

Dendritiskie muguriņas ir fascinējuši neirozinātnieku paaudzes, jo viņu sākotnējais apraksts, ko Santiago Ramón y Cajal vairāk nekā pirms gadsimta ir aprakstījis (Ramon y Cajal, 1888). Šie maigie izvirzījumi izplūst no dendrīta vārpstas un līdzinās “saru ērkšķiem vai īsiem muguriņiem”, ko spilgti aprakstījis Kajals. Tās ir lielākās daļas (> 90%) ierosinošo glutamaterģisko sinapsju postsinaptiskās vietas zīdītāju smadzenēs, un tās satur būtiskus molekulāros komponentus postsinaptiskai signālai un plastiskumam. Tāpēc muguriņas un to strukturālā dinamika var kalpot kā sinaptiskās savienojamības un tās modifikācijas indikatori (Segal, 2005; Tada un Sheng, 2006; Harms un Dunaevsky, 2007).

Lielākā daļa agrīno pētījumu par dendritisko mugurkaulu pārbaudīja fiksētu neironu audu ar gaismas vai elektronu mikroskopiju (Lund et al., 1977; Woolley et al., 1990; Harris un Kater, 1994; Herings un Šengs, 2001; Lippman un Dunaevsky, 2005). Lai gan tie sniedza pamatinformāciju par mugurkaula morfoloģiju un izplatību, šie fiksētie audu izmeklējumi tikai fiksēja mugurkaula statiskos „momentuzņēmumus”. Fluorescējošo marķēšanas metožu un multi-fotonu mikroskopijas ieviešana revolucionizēja lauku. 2002 ir pirmais divu laboratoriju darbs (Grutzendler et al., 2002; Trachtenberg et al., 2002) parādīja iespēju izsekot to pašu mugurkaulu dzīvajās smadzenēs ilgā laika periodā (ti, nedēļās). Principā mugurkaula dinamika ir sinapses dinamika. Lai gan stabilie muguriņas galvenokārt ir sinaptisks kontakts, tikai neliela daļa pārejošu muguriņu veido īstermiņa sinaptiskos kontaktus, un pārējie no tiem pārstāv nespējīgu sinaptogēnu (Trachtenberg et al., 2002; Knots et al., 2006; Cane et al., 2014). No šādām laika izpētes pētījumiem ir parādījies dinamisks attēls no mugurkauliem: mugurkaula forma, palielinās, saraujas un ievilksies visā dzīvnieka dzīves laikā. Turklāt to morfoloģija un dinamika atšķiras starp neironu tipiem, attīstības stadijās, un, reaģējot uz tādām pieredzēm kā jutekļu stimulēšana un atņemšana, vides bagātināšana un dažādas mācīšanās paradigmas (Holtmaat un Svoboda, 2009; Fu un Zuo, 2011).

Šajā pārskatā galvenā uzmanība ir pievērsta rezultātiem in vivo attēlveidošanas pētījumi. Raksturojot mugurkaula dinamiku, pētnieki galvenokārt apsvēra divus aspektus: vispārējās izmaiņas mugurkaula blīvumā un konkrēto vietu gar dendrītu, kur rodas mugurkaula veidošanās un eliminācija. Kamēr mugurkaula blīvums sniedz aptuvenu aplēsi par postinaptiskā neirona kopējo ierosinošo sinapsiju skaitu, mugurkaula atrašanās vieta ietekmē tās sinaptiski pārraidīto elektrisko un ķīmisko signālu ieguldījumu integrētajā reakcijā uz somu (Nevian et al., 2007; Spruston, 2008). Lai noskaidrotu informācijas apstrādes un uzglabāšanas mehānismus smadzenēs, izšķiroša nozīme ir izpratnei par to, kā mugurkaula dinamika korelē ar specifisku nervu ķēžu anatomiskajām un fizioloģiskajām iezīmēm dažādos uzvedības kontekstos.

SPINE DINAMIKA ATTĪSTĪBAS LAIKĀ

Mugurkaula blīvums ievērojami atšķiras dažādās neironu populācijās, kas, iespējams, atspoguļo neironu morfoloģijas un funkcijas dažādību (Nimchinsky et al., 2002; Ballesteros-Yanez et al., 2006). Starp mugurkaula blīvuma izmaiņām nosaka mugurkaula veidošanās un eliminācijas līdzsvaru: mugurkaula veidošanās pārpalikums pār elimināciju gar dendritisko segmentu palielina mugurkaula blīvumu, un otrādi. Smadzeņu garozā, kamēr dendritu zari lielākoties ir stabili laika gaitā (Trachtenberg et al., 2002; Mizrahi un Katz, 2003; Chow et al., 2009; Mostany un Portera-Cailliau, 2011; Schubert et al., 2013), muguriņas tiek pastāvīgi veidotas un likvidētas. Mugurkaula veidošanās un eliminācijas ātrums laika gaitā mainās, kā rezultātā mugurkaula blīvums nemainās (skaitlis Attēls11). Piemēram, 2 / 3 slāņa piramīdas neironu aplikālās dendrites grauzēju mucas garozā pakāpeniski samazina kustību (pagarinājumu un mugurkaula saīsinājumu) un apgrozījuma ātrumu (definēts kā kopējais peļņas un zaudējumu apjoms) pēc postnatālās dienas 7 un 24 (P7-24; Lendvai et al., 2000; Cruz-Martin et al., 2010). Tomēr šajā laika posmā mugurkaula blīvums nepārtraukti palielinās (Cruz-Martin et al., 2010). Pēc šī sākotnējā mugurkaula neto pieauguma fāzes mugurkaula izvadīšana sāk pārspēt veidošanos, kā rezultātā kopumā samazinās mugurkaula blīvums (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005b; Yang et al., 2009). Starp P28 un P42, 17% no mugurkauliem tiek izvadīti pa slāņa 5 piramīdo neironu apical dendritiem peles barelu garozā, bet tikai tajā pašā laika posmā veidojas tikai 5% jauno muguriņu.Zuo et al., 2005a, b). Svarīgi, ka ne visi muguriņas ir vienlīdz uzņēmīgi pret likvidēšanu: tie, kuriem ir lielas galvas, ir stabilāki nekā plānie. Tā kā mugurkaula galvas izmērs korelē ar sinaptisko spēku, šī parādība liecina, ka spēcīgākas sinapses ir stabilākas (Holtmaat et al., 2005). Turklāt jaunizveidotie muguriņas ir vairāk iespējams, nekā iepriekš esošie muguriņas (Xu et al., 2009), un lielākā daļa no stabiliem mugurkauliem, kas veidojas pirms pusaudža vecuma, paliek iekļauti pieaugušo \ tZuo et al., 2005a; Yang et al., 2009; Yu et al., 2013). Visbeidzot, pieaugušajiem dzīvniekiem mugurkaula veidošanās un eliminācija sasniedz līdzsvaru; mugurkaula blīvums saglabājas nemainīgs līdz novecošanās sākumam (Zuo et al., 2005a; Mostany et al., 2013).

 

ATTĒLS 1

Mugurkaula remodeling dažādos dzīvnieka dzīves posmos. Pēc straujas spinogēnās reakcijas agrīnā postnatālā seko pakāpeniska mugurkaula atzarošana pusaudža vecumā. Pieaugušajā vecumā mugurkaula veidošanās un eliminācija sasniedz līdzsvaru ar nelielu daļu mugurkaula ...

SPINE DYNAMICS ATTIECĪBĀ UZ SENSORY PIEREDZE

Smadzeņu garoza ir pārsteidzoša spēja reorganizēt savu shēmu, reaģējot uz pieredzi. Tāpēc, kā sensorās pieredzes (vai to trūkuma) ietekme mugurkaula dinamikā ir ļoti svarīga neirozinātniekiem. Ir pierādīts, ka gan akūtas, gan hroniskas jutīgas manipulācijas būtiski ietekmē mugurkaula dinamiku, bet precīzs efekts ir atkarīgs no manipulācijas paradigmas un ilguma, kā arī no dzīvnieka attīstības stadijas. Agrīnās pēcdzemdību periodā jutekļu ievadi spēlē pamācošas lomas mugurkaula stabilizēšanā un nobriešanā. Peles redzes garozā, atņemot vizuālo ievadi no dzimšanas, tika novērsta mugurkaula kustības samazināšanās un mugurkaula morfoloģijas nobriešana (Majewska un Sur, 2003; Tropea et al., 2010). PirB receptoru ģenētiskā dzēšana atdarināja monokulārās atņemšanas ietekmi uz mugurkaula kustību (Djurisic et al., 2013). Pelēm, kuras iepriekš bija pakļautas redzes traucējumiem, gaismas inducēto mugurkaula nobriešanu var daļēji atdarināt ar GABAergiskās sistēmas farmakoloģisko aktivitāti, kas liecina par nozīmīgu inhibējošo ķēžu lomu eksitējošo sinapšu nogatavošanā (Tropea et al., 2010). Vēlāk maņu sajūta vada mugurkaula atzarošanu (definēts kā mugurkaula neto zudums). 1-mēnešu veco peles vienpusējā griešana ar 4 vai 14 dienām ievērojami samazināja mugurkaula izvadīšanu mucas garozā, bet kreisā mugurkaula veidošanās lielā mērā netraucēja (Zuo et al., 2005b; Yu et al., 2013). NMDA receptoru farmakoloģiskā bloķēšana atdarināja ūsas apgriešanas efektu, kas liecina par NMDA receptoru ceļa iesaistīšanos tādā aktivitātē atkarīgā mugurkaula eliminācijā (Zuo et al., 2005b).

Lai gan pilnīga šķembu apgriešana noņem sensoro ievadi globālā mērogā, iespējams, ka jebkura cita viskija apgriešana („šaha galda apgriešana”) pastiprina jebkuras kaimiņu barelu aktivitātes līmeņu un modeļu atšķirības, tādējādi ieviešot jaunu jutekļu pieredzi. Ir pierādīts, ka šāda paradigma veicina mugurkaula apgrozījumu un stabilizē jaunizveidotos mugurkaulus selektīvi kortikālo neironu apakšklasē (Trachtenberg et al., 2002; Holtmaat et al., 2006). Jauni muguriņas tika pieskaitīti 5 slāņainajiem neironiem ar sarežģītiem apiktiem, nevis tiem, kuriem ir vienkāršas tufas (Holtmaat et al., 2006). ΑCaMKII-T286A bojātās pelēs šaha galda apgriešana nepalielināja jaunu noturīgu muguriņu stabilizāciju pie robežas starp taupītām un atņemtajām mucām (Wilbrecht et al., 2010). Nesen, elegants pētījums, kas apvieno optogenētisko stimulāciju un in vivo attēlveidošana parādīja, ka dendritisko muguriņu stabilitāti nosaka neirālās aktivitātes modelis, nevis lielums.Wyatt et al., 2012).

Līdzīgi kā šaha galdiņu apgriešanai, īss monokulārais atņemšana (MD) palielina atšķirības starp divām acīm. Līdz ar to, līdzīgi kā šaha galda apgriešanai, ir konstatēts, ka MD palielina mugurkaula veidošanos gar aplikācijas 5 piramīdas neironu slīpumiem peles redzes garozas binokulārajā zonā. Tomēr šī ietekme netika novērota 2 / 3 slāņa neironiem vai monokulārajā zonā (Hofer et al., 2009), kas vēlreiz norāda uz šūnu tipa specifisku sinapses remodelāciju. Interesanti, ka otrs MD nespēja palielināt mugurkaula veidošanos, bet selektīvi paplašināja sākotnējā MD laikā veidotos muguriņas, liekot domāt, ka jauniem mugurkauliem, kas veidojas sākotnējā MD laikā, bija funkcionālas sinapses, kas tika aktivizētas otrā MD laikā.Hofer et al., 2009).

SPINE DYNAMICS MĀCĪBU LAIKĀ

Dendritisko muguriņu ļoti dinamiskais raksturs izraisa izplatīto domu, ka muguriņas var kalpot kā strukturāls substrāts mācībām un atmiņai. Ir ierosināts, ka jaunatklātie muguriņas (parasti ar mazām galviņām) pamatojas uz atmiņas iegūšanu, savukārt stabilie muguriņas (parasti ar lielām galviņām) kalpo kā atmiņas uzglabāšanas vietas (Bourne un Harris, 2007). Patiešām, in vivo attēlveidošanas pētījumi ir parādījuši, ka smadzeņu garozā mugurkaula dinamika ir tieši saistīta ar mācīšanos. Peles mehāniskajā garozā mugurkaula veidošanās sākas nekavējoties, kad dzīvnieks apgūst jaunu uzdevumu. Pēc šīs straujās spinogenesis mugurkaula blīvums atgriežas sākotnējā līmenī, palielinot mugurkaula elimināciju (\ tXu et al., 2009; Yu un Zuo, 2011). Dziesmu putniem ir konstatēts, ka augstāks mugurkaula apgriezienu skaits pirms dziesmu apguves ir saistīts ar lielāku jaudu nākamās dziesmu imitācijas laikā (Roberts et al., 2010). Pelēm sākotnējās mācīšanās laikā iegūto muguriņu skaits ir cieši saistīts ar mācīšanās apguves motorisko veiktspēju (Xu et al., 2009); un jaunu mugurkaula izdzīvošana korelē ar motorisko prasmju saglabāšanu (Yang et al., 2009). Turklāt dažādas motoriskās prasmes visticamāk ir kodējušas dažādas sinapses apakšgrupas motorā garozā, jo jaunu motoru uzdevumu apgūšana iepriekš apmācītiem pelēm turpina izraisīt spēcīgu apgrozījumu pieaugušo motorajā garozā (Xu et al., 2009). Nesen tika konstatēts, ka glikokortikoīdu līmenis ietekmē motoru mācīšanās izraisītu mugurkaula dinamiku. Mācības pelēm glikokortikoīdu virsotnēs izraisīja lielāku mugurkaula veidošanās ātrumu, bet glikokortikoīdu siles pēc apmācības bija nepieciešamas treniņu laikā veidoto muguriņu stabilizēšanai un ilgtermiņa atmiņas saglabāšanai (Liston et al., 2013). Atkarība, ko uzskata par patoloģisku mācīšanos (Hyman, 2005), izraisa līdzīgas mugurkaula dinamikas izmaiņas laikā, kad notiek motoru mācīšanās. Izmantojot kokaīna nosacītu vietu preferenču paradigmu, nesen veikts attēlveidošanas pētījums parādīja, ka sākotnējā kokaīna iedarbība veicināja mugurkaula veidošanos frontālās garozas daļā un ka jauno noturīgo muguriņu skaits korelēja ar to, ka priekšroka tiek dota kokaīna pāra kontekstam (Munoz-Cuevas et al., 2013). Interesanti, ka mugurkaula dinamika dažādos kortikālajos reģionos vienā un tajā pašā uzdevumā var atšķirties. Piemēram, baiļu kondicionēšanas paradigma, kas savieno dzirdes signālus ar pēdu triecieniem, ir parādījusi pretēju efektu dzirdes un frontālās garozā. Dzirdes garozā tika konstatēts, ka palielināta mugurkaula veidošanās bija saistīta ar pārīto bailes kondicionēšanu, savukārt nepāra stāvoklis bija saistīts ar pastiprinātu muguriņu likvidāciju (Moczulska et al., 2013). Frontālās asociācijas garozā tika konstatēts, ka palielinās mugurkaula eliminācija, kas saistīta ar mācīšanos, savukārt mugurkaula veidošanās bija saistīta ar bailes izzušanu, un iznīcināšanas laikā izveidojušos mugurkaulu atjaunošana (Lai et al., 2012). Kopumā šie pētījumi atklāj laika noteikumu daudzveidību, kas ir pamatā mācīšanās izraisītajai mugurkaula dinamikai. Tas, vai mācīšanās laikā veidojas vai izņemas muguriņas, ir atkarīgs no uzvedības paradigmas, kā arī uz specifisko neironu ķēdi un šūnu tipiem, kas piedalās mācīšanās procesā.

Jāatzīmē, ka visi iepriekš minētie piemēri attiecas uz nedeklarējošu atmiņu, kas neietver konkrētas laika, atrašanās vietas un epizodiskas pieredzes (ti, deklaratīvās atmiņas) apzinātu atcerēšanos. Izpētes in vivo mugurkaula dinamika, kas saistīta ar deklaratīvo atmiņu, izrādās daudz sarežģītāka. No vienas puses, hipokamps, struktūra, kas ir būtiska deklaratīvās atmiņas veidošanai, tiek aprakti zem garozas un ārpus standarta divu fotonu mikroskopijas. No otras puses, tiek uzskatīts, ka deklaratīvā atmiņa ir difūzā veidā glabāta lielajos neokortikālajos tīklos, un tas apgrūtina mērķtiecīgu attēlveidošanu. Tāpēc dziļo smadzeņu attēlveidošanas metožu (piem., Mikroendoskopijas, adaptīvās optikas) attīstība un labāka izpratne par atmiņas sadalījumu garozā ir galvenais elements mugurkaula dinamikas turpmākai izmeklēšanai, kas ir pamatā deklaratīvajai atmiņai.

SPINE DINAMIKA SLIMĪBĀS

Dendrīta mugurkaula blīvumu izmaiņas ir novērotas dažādās neiroloģiskās un neiropsihiskās slimībās. Katram traucējumam piemīt pašas savdabīgas novirzes mugurkaula dinamikā, kas vēl vairāk apstiprina domu, ka mugurkaula ir strukturāls pamats pareizai kognitīvajai darbībai. Arvien pieaug vienprātība par to, ka mugurkaula anomālija ir saistīta ar uzvedības trūkumu un kognitīvo funkciju samazināšanos (sīkāk skatīt Fiala et al., 2002; Penzes et al., 2011).

Insultu modeļos ir pierādīts, ka smaga išēmija izraisa ātru mugurkaula zudumu, kas pēc reperfūzijas ir atgriezenisks, ja glābšana tiek veikta īsā laika periodā (20 – 60 min; Zhang et al., 2005). Pēc insulta, mugurkaula veidošanās un turpmāka eliminācija peri-infarkta reģionā, bet ne kortikālajā teritorijā, kas atrodas tālu no infarkta vai pretējā puslodes (Brown et al., 2009; Johnston et al., 2013). Šis traumas izraisītais plastiskums sasniedz maksimumu 1 nedēļā pēc insulta; no tā laika mugurkaula veidošanās un eliminācijas ātrums nepārtraukti samazinās. Šī parādība liek domāt, ka pastāv kritisks periods, kura laikā pārdzīvojušie peri-infarkta kortikālie audi ir vispiemērotākie terapeitisko iejaukšanos veikšanai (Brown et al., 2007, 2009). Peles modelī hroniskām sāpēm daļēja sēžas nervu ligācija palielina mugurkaula veidošanos un elimināciju. Līdzīgi kā insulta modelim, mugurkaula veidošanās ātruma paaugstināšanās notiek pirms eliminācijas, kas izraisa mugurkaula blīvuma sākotnējo palielināšanos, kam seko tā samazināšana. Šādu ietekmi var atcelt ar tetrodotoksīna blokādi, norādot, ka pēc bojājumu mugurkaula remodelācija ir atkarīga no aktivitātes.Kim un Nabekura, 2011).

Par izmaiņām mugurkaula dinamikā ir ziņots arī par degeneratīvu slimību dzīvnieku modeļiem. Piemēram, mugurkaula zudums tiek paātrināts β-amiloidu plankumu tuvumā smadzeņu garozā (Tsai et al., 2004; Spiers et al., 2005). Huntingtona slimības dzīvnieka modelī palielinās mugurkaula veidošanās ātrums, bet jaunizveidotie mugurkauls nepaliek, lai tos iekļautu lokālajā shēmā, kas izraisa mugurkaula blīvuma neto samazināšanos (Murmu et al., 2013). Lai gan neirodeģeneratīvās slimības parasti ir saistītas ar mugurkaula zudumu, neiroloģiskās attīstības traucējumiem piemīt dažādi mugurkaula fenotipi. Fragile X sindroma peles modelī mugurkaula ir daudz vairāk, un, palielinot pieaugušo fiksēto audu, ir augstāks procentuālais daudzums no tiem.Comery et al., 1997; Irwin et al., 2000). In vivo pētījumi arī parādīja, ka šādos dzīvniekos mugurkaula apgrozījums palielinājās dažādās \ tCruz-Martin et al., 2010; Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013), un nedz vaļējā apgriešana, nedz motora apguve varētu vēl vairāk mainīt mugurkaula dinamiku (Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013). Pētījumos ar pelēm, kas pārmērīgi izpauž MECP2, kas saistīts ar Rett sindromu, ir konstatēts, ka gan mugurkaula guvumi, gan zaudējumi ir paaugstināti. Tomēr jauni muguriņas ir neaizsargātāki pret elimināciju nekā savvaļas tipa pelēm, kā rezultātā radās mugurkaula tīrais zudums (Jiang et al., 2013).

GLIĀLĀS IEGULDĪJUMS SPINE DYNAMICS

Nervu sistēma ietver divas šūnu klases: neironus un gliju. Vislielākā glialu šūnu loma ir viņu līdzdalība sinaptiskā darbībā un dinamikā. Nesen dažos aizraujošos pētījumos tika pētīta glialu signalizācijas nozīme mugurkaula nobriešanā un plastiskumā. Piemēram, ir pierādīts, ka astrocītu glutamāta uzņemšanas bloķēšana paātrina pieredzes atkarīgu mugurkaula izvadīšanu pusaudžu attīstības laikā (Yu et al., 2013). Ir konstatēts, ka cita veida glialu šūnas, microglia, ir ciešā saskarē ar dendritiskajiem mugurkauliem. Mikrogliju procesu un mugurkaula kontaktu kustību aktīvi regulē maņu sajūta un iesaistās mugurkaula izvadīšanā (Tremblay et al., 2010). Turklāt mikrogliju izsīkšana izraisīja būtisku motoru mācīšanās izraisīto mugurkaula veidošanos, un smadzeņu radītā neirotrofiskā faktora (BDNF) selektīva noņemšana mikroglijā recirkulēja mikrogliju izsīkuma ietekmi (Parkhurst et al., 2013).

SPINE DYNAMICS SPĀNISKĀ MANIFESTĀCIJA

Spīniju strukturālā attēlveidošana liecina, ka mugurkaula parādīšanās un izzušana nav ne vienveidīga, ne nejauša gar dendrites, bet drīzāk notiek telpiski selektīvos “karstajos punktos”. mēdz būt klasteris. Turklāt otrā jaunā mugurkaula pievienošana klasterī bieži ir saistīta ar pirmā jaunā mugurkaula paplašināšanos. Turpretī dažādu motoru uzdevumu vai motora bagātināšanas laikā izveidojušās muguriņas nav klasteri (Fu et al., 2012). Kopumā šie novērojumi liecina, ka ir nepieciešams atkārtot pirmās jaunās mugurkaula atkārtotu aktivāciju, lai izveidotu otro jauno mugurkaulu. Līdzīga telpiskā selektivitāte mugurkaula dinamikā ir novērota baiļu kondicionēšanas paradigmā: baiļu kondicionēšanas laikā novērstais mugurkauls parasti tiek aizstāts ar mugurkaulu tās tuvumā (2 μm) bailes izzušanas laikā (Lai et al., 2012). Interesanti, ka mugurkaula dinamiku ietekmē arī inhibējošo sinapsju dinamika. Monokulārā atņemšana ievērojami palielina koordinātu dinamiku dinamikā un blakus esošās inhibējošās sinapses 2 / 3 slāņu piramīdas neironos (Chen et al., 2012). Šie konstatējumi apstiprina klasterizētu plastiskuma modeli, kas, saskaņā ar to, ka klasteru sinapses biežāk piedalās tādas pašas informācijas kodēšanā, nekā sinapses, kas izkliedētas visā dendritiskā lapenē (Govindarajan et al., 2006).

Apvienojot in vivo pilna šūnu plākstera ierakstīšana un viena mugurkaula kalcija attēlveidošana, nesenais darbs ir parādījis, ka spines, kas noregulētas dažādām pīķa frekvencēm, ir sadalītas pa piramīdo neironu dendritiem peles dzirdes garozā (Chen et al., 2011). Šis konstatējums rada interesantu jautājumu: vai kopu jauni muguriņas atbilst ieejām ar līdzīgām vai atšķirīgām īpašībām (piemēram, darbības modeļiem, regulēšanas īpašībām)? Lai risinātu šo jautājumu, būs nepieciešams paraugu ņemšana pāri plašai dendrīta lapenei, identificēt mugurkaula remodelācijas “karstos punktus” un apvienot mugurkaula strukturālo attēlveidošanu ar reālā laika funkcionālo attēlu. Šādi eksperimenti ne tikai palīdzēs izskaidrot ar aktivitāti atkarīgo mugurkaula remodelāciju šūnu mehānismus, bet arī sniedz norādes informācijas attēlošanai un uzglabāšanai neironos.

NĀKOTNES DIREKCIJAS

Šajā rakstā mēs esam pārskatījuši nesenos pētījumus par dendritisko muguriņu dinamiku dzīvajās smadzenēs. Lai gan šie pētījumi ir ievērojami uzlabojuši mūsu izpratni par to, kā mugurkaula dinamika mainās uz laiku un telpiski, daudzi jautājumi paliek dažādās frontēs. Piemēram, vai ir molekulārie marķieri, kas atšķir stabilus mugurkaulus no jaunizveidotiem mugurkauliem un mugurkauliem, kas jānovērš? Vai kopējais mugurkaulu skaits tiek uzturēts ar homeostatisku mehānismu, lai dendrīts varētu uzturēt sinaptiskā transmisijas metabolisko pieprasījumu? Vai jaunu mugurkaulu apvienošana atspoguļo esošo savienojumu stipruma izmaiņas ar to pašu aksonu (saglabājot to pašu tīkla topoloģiju), vai arī tas norāda uz papildu savienojumu izveidi ar iepriekš nesaistītiem tuvējiem aksoniem? Jāatzīmē, ka visi iepriekš apskatītie darbi ir vērsti uz postsinaptisko pusi, kas ir tikai puse no stāsta. Otrs lielākais mugurkaula izplatības un dinamikas noteicošais faktors ir presinaptiskā puse: presinaptisko axonu identitāte un ģeometrija un aksonālo boutonu pieejamība. Šādas presinaptiskas informācijas apzināšana ir izšķiroša, lai atrisinātu daudzus jautājumus, kas izriet no mugurkaula dinamikas novērojumiem. Tomēr attēlotā dendritiskā mugurkaula presinaptiskā partnera identifikācija joprojām ir tehnisks izaicinājums, jo presinaptiskais axons var rasties no daudziem avotiem, un parasti tas ir sajaukts ar daudziem citiem aksoniem. Turklāt vēl ir daudz jāapgūst par strukturālās remodelācijas secību, kas notiek kontaktvirsmā starp aksonu boutonu un mugurkaulu, un kā šāda secība ir saistīta ar sinapses veidošanos un likvidēšanu. Vienlaicīga aksonu boutonu un to partnerattiecību muguriņu attēlošana uzvedības manipulāciju kontekstā sniegs bagātīgu informāciju, lai risinātu šo jautājumu. Retrospektīvi ultrastruktūras izmeklējumi, piemēram, elektronmikroskopija (Knots et al., 2009) un Array Tomography (Micheva un Smith, 2007; Micheva et al., 2010) var arī papildināt in vivo attēlveidošana, lai apstiprinātu sinapšu klātbūtni un atklāt attēloto struktūru molekulāros pirkstu nospiedumus.

Viena no galvenajām neirozinātnes problēmām ir neironu savienojumu laika secība un telpiski selektīvās pārkārtošanās, kā arī to, kā šīs izmaiņas kolektīvi veicina uzvedības izmaiņas. Attēlveidošanas metožu attīstība kopā ar elektrofizioloģijas, molekulārās ģenētikas un optogenētikas attīstību palīdzēs atklāt neironu shēmu plānu mikroskopiskā līmenī, kā arī informācijas kodēšanas, integrācijas un uzglabāšanas mehānismus smadzenēs.

AUTORA IEMAKSAS

Chia-Chien Chen izveidoja šo skaitli. Chia-Chien Chen, Ju Lu un Yi Zuo uzrakstīja manuskriptu.

Interešu konflikta paziņojums

Autori paziņo, ka pētījums tika veikts bez jebkādām komerciālām vai finansiālām attiecībām, kuras varētu uzskatīt par iespējamu interešu konfliktu.

Pateicības

ATSAUCES