Пространственно-временная динамика дендритных шипов в живом мозге (2014)

Дендритные шипы являются вездесущими постсинаптическими участками большинства возбуждающих синапсов в мозге млекопитающих и, таким образом, могут служить структурными индикаторами функциональных синапсов. Недавние работы предположили, что нейрональное кодирование памяти может быть связано с быстрыми изменениями в формировании и удалении позвоночника. Технологические достижения позволили исследователям изучать динамику позвоночника в естественных условиях во время развития, а также в различных физиологических и патологических условиях. Мы полагаем, что лучшее понимание пространственно-временных моделей динамики позвоночника поможет выяснить принципы модификации схемы, зависящей от опыта, и обработки информации в живом мозге.

ВВЕДЕНИЕ

Дендритные шипы очаровывали поколения нейробиологов с момента их первоначального описания Сантьяго Рамоном и Кахалом более века назад (Рамон Кахаль, 1888). Эти тонкие выступы исходят от стержня дендрита и напоминают «щетинистые шипы или короткие шипы», как это ярко описывает Кахал. Они являются постсинаптическими участками подавляющего большинства (> 90%) возбуждающих глутаматергических синапсов в мозгу млекопитающих и содержат важные молекулярные компоненты для постсинаптической передачи сигналов и пластичности. Следовательно, шипы и их структурная динамика могут служить индикаторами синаптических связей и их модификаций (Сигал, 2005; Тада и Шэн, 2006; Хармс и Дунаевский, 2007).

В большинстве ранних исследований дендритного отдела позвоночника изучалась фиксированная нервная ткань с помощью световой или электронной микроскопии (Лунд и др., 1977; Вулли и др., 1990; Харрис и Катер, 1994; Геринг и Шэн, 2001; Липпман и Дунаевский, 2005). Хотя они предоставили фундаментальную информацию о морфологии и распределении позвоночника, эти исследования фиксированных тканей только зафиксировали статические «снимки» позвоночника. Внедрение методов флуоресцентной маркировки и многофотонной микроскопии произвело революцию в этой области. В 2002 - новаторская работа двух лабораторий (Груцендлер и др., 2002; Трахтенберг и др., 2002) продемонстрировал возможность отслеживать один и тот же позвоночник в живом мозге в течение длительного периода (т. е. недель). В принципе, динамика позвоночника представляет собой динамику синапсов. В то время как стабильные шипы представляют в основном синаптические контакты, только небольшая часть временных шипиков представляет короткоживущие синаптические контакты, а остальные представляют неудачный синаптогенез (Трахтенберг и др., 2002; Knott и др., 2006; Кейн и др., 2014). Из таких покадровых исследований получилась динамическая картина шипов: шипы формируются, увеличиваются, сжимаются и сокращаются на протяжении всей жизни животного. Кроме того, их морфология и динамика варьируются в зависимости от типов нейронов, на разных этапах развития и в ответ на такие переживания, как сенсорная стимуляция и лишение, обогащение окружающей среды и различные парадигмы обучения (Холтмаат и Свобода, 2009; Фу и Зуо, 2011).

Этот обзор фокусируется на результатах в естественных условиях исследования изображений. При характеристике динамики позвоночника исследователи в основном рассматривали два аспекта: общие изменения в плотности позвоночника и конкретное местоположение вдоль дендрита, где происходит образование и удаление позвоночника. В то время как плотность позвоночника дает приблизительную оценку общего числа возбуждающих синапсов на постсинаптическом нейроне, расположение позвоночника влияет на вклад его синаптически переданных электрических и химических сигналов в интегрированный ответ на соме (Невьян и др., 2007; Spruston, 2008). Понимание того, как динамика позвоночника коррелирует с анатомическими и физиологическими особенностями определенных нервных цепей в различных поведенческих контекстах, имеет решающее значение для выяснения механизмов обработки и хранения информации в мозге.

ДИНАМИКА позвоночника во время развития

Плотность позвоночника значительно варьируется в разных популяциях нейронов, что, вероятно, отражает разнообразие морфологии и функций нейронов (Нимчинский и др., 2002; Баллестерос-Янез и др., 2006). Баланс между образованием и удалением позвоночника определяет изменение плотности позвоночника: избыток формирования позвоночника по сравнению с удалением вдоль дендритного сегмента увеличивает плотность позвоночника на нем, и наоборот. В коре головного мозга, в то время как дендритные ветви в основном стабильны во времени (Трахтенберг и др., 2002; Мизрахи и Кац, 2003; Чоу и др., 2009; Мостани и Портера-Кайо, 2011; Schubert и др., 2013), шипы постоянно формируются и устраняются. Скорости формирования и удаления позвоночника изменяются со временем, что приводит к немонотонному изменению плотности позвоночника (фигура Figure11). Например, шипы на апикальных дендритах слоя пирамидальных нейронов 2 / 3 в коре ствола грызунов демонстрируют постепенно уменьшающуюся подвижность (удлинение и укорочение шипов) и скорость оборота (определяемую как общее количество приростов и потерь шипов) между послеродовым днем ​​7 и 24 (P7-24; Лендвай и др., 2000; Круз-Мартин и др., 2010). Тем не менее, плотность позвоночника постоянно увеличивается в течение этого периода времени (Круз-Мартин и др., 2010). После этой начальной фазы чистого прироста позвоночника устранение позвоночника начинает опережать формирование, что приводит к общему снижению плотности позвоночника (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005b; Ян и др., 2009). Между P28 и P42, 17% позвоночников удаляются вдоль апикальных дендритов слоя пирамидальных нейронов 5 в коре ствола мыши, в то время как только 5% новых позвоночников образуются в течение того же периода времени (Zuo et al., 2005a, b). Важно отметить, что не все шипы одинаково подвержены элиминации: те, у кого большие головы, более устойчивы, чем тонкие. Поскольку размер головки позвоночника коррелирует с синаптической силой, это явление предполагает, что более сильные синапсы более стабильны (Holtmaat et al., 2005). Кроме того, вновь сформированные колючки с большей вероятностью будут устранены, чем ранее существовавшие колючки (Xu и др., 2009), и большинство стабильных шипиков, сформировавшихся до подросткового возраста, остаются включенными во взрослую нейронную цепь (Zuo et al., 2005a; Ян и др., 2009; Yu et al., 2013). Наконец, у взрослых животных формирование и выведение позвоночника достигают равновесия; Плотность позвоночника остается примерно постоянной до начала старения (Zuo et al., 2005a; Мостани и др., 2013).

 

Рисунок 1

Ремоделирование позвоночника на разных этапах жизни животного, Быстрый спиногенез в раннем постнатальном периоде сопровождается постепенной обрезкой позвоночника в подростковом возрасте. В зрелом возрасте формирование и удаление позвоночника достигают равновесия с небольшой долей позвоночника. ...

ДИНАМИКА позвоночника в ответ на сенсорный опыт

Кора головного мозга обладает удивительной способностью реорганизовать свои схемы в ответ на опыт. Поэтому то, как сенсорные ощущения (или их отсутствие) влияют на динамику позвоночника, представляет большой интерес для нейробиологов. Было показано, что как острые, так и хронические сенсорные манипуляции оказывают глубокое влияние на динамику позвоночника, но точный эффект зависит от парадигмы и продолжительности манипуляции, а также от стадии развития животного. В раннем постнатальном периоде сенсорные воздействия играют инструктивную роль в стабилизации и созревании позвоночника. В зрительной коре мыши, лишая визуального ввода от рождения, предотвратило снижение подвижности позвоночника и созревание морфологии позвоночника (Маевска и Сур, 2003; Тропея и др., 2010). Генетическая делеция рецептора PirB имитировала эффект монокулярной депривации на подвижность позвоночника (Джуришич и др., 2013). У мышей, которые ранее подвергались визуальной депривации, вызванное светом созревание позвоночника может быть частично имитировано фармакологической активацией GABAergic системы, что указывает на важную роль тормозных цепей в созревании возбуждающих синапсов (Тропея и др., 2010). Позже, сенсорный опыт приводит к сокращению позвоночника (определяется как чистая потеря позвоночника). Одностороннее обрезание всех усов у мышей 1-месячного возраста в течение дней 4 или 14 значительно уменьшило выведение позвоночника в коре ствола, но оставило формирование позвоночника практически без изменений (Zuo et al., 2005b; Yu et al., 2013). Фармакологическая блокада NMDA-рецепторов имитирует эффект обрезки усов, указывая на участие пути NMDA-рецептора в такой зависимой от активности элиминации позвоночника (Zuo et al., 2005b).

В то время как полная подстройка усов удаляет сенсорный ввод в глобальном масштабе, обрезка всех остальных усов («подгонка шахматной доски»), по-видимому, усиливает любую разницу в уровнях активности и схемах соседних стволов, тем самым вводя новый сенсорный опыт. Было показано, что такая парадигма способствует обороту позвоночника и выборочно стабилизирует новообразованные шипы в подклассе корковых нейронов (Трахтенберг и др., 2002; Holtmaat et al., 2006). Новые колючки были преимущественно добавлены на слой пирамидальных нейронов 5 со сложными апикальными пучками, а не с простыми пучками (Holtmaat et al., 2006). У мышей с дефектом αCaMKII-T286A обрезка шахматной доски не позволила увеличить стабилизацию новых стойких шипов на границе между обделенными и лишенными стволами (Вильбрехт и др., 2010). Недавно было проведено элегантное исследование, сочетающее оптогенетическую стимуляцию и в естественных условиях визуализация показала, что именно характер нейронной активности, а не ее величина, определяет стабильность дендритных шипов (Уайатт и др., 2012).

Подобно обрезке шахматной доски, кратковременная монокулярная депривация (MD) увеличивает несоответствие между входами от двух глаз. Таким образом, как и в случае с шахматной доской, MD увеличивает образование позвоночника вдоль апикальных дендритных пучков пирамидальных нейронов слоя 5 в бинокулярной зоне зрительной коры мыши. Однако этот эффект не наблюдался ни в нейронах слоя 2 / 3, ни в монокулярной зоне (Хофер и др., 2009), снова указывает на специфическое для типа клетки ремоделирование синапса. Интересно, что второй MD не смог дополнительно увеличить формирование позвоночника, но выборочно увеличил шипы, сформированные во время первоначального MD, предполагая, что у новых шипов, сформированных во время первоначального MD, были функциональные синапсы, которые были реактивированы во время второго MD (Хофер и др., 2009).

ДИНАМИКА СПИНГА ВО ВРЕМЯ ОБУЧЕНИЯ

Высокая динамическая природа дендритных шипов вызывает распространенную идею о том, что шипы могут служить структурным субстратом для обучения и памяти. Было высказано предположение, что вновь возникшие шипы (обычно с маленькими головками) лежат в основе получения памяти, в то время как стабильные шипы (обычно с большими головками) служат местами хранения памяти (Борн и Харрис, 2007). В самом деле, в естественных условиях Визуальные исследования показали, что в коре головного мозга динамика позвоночника напрямую коррелирует с обучением. В двигательной коре мыши, формирование позвоночника начинается немедленно, когда животное изучает новую задачу. После этого быстрого спиногенеза плотность позвоночника возвращается к исходному уровню посредством элиминации позвоночника (Xu и др., 2009; Ю и Зуо, 2011). У певчих птиц было обнаружено, что более высокая базовая скорость оборота позвоночника до изучения песни коррелирует с большей способностью к последующему воспроизведению песни (Робертс и др., 2010). У мышей количество шипов, полученных во время начального обучения, тесно коррелирует с двигательной способностью приобретения обучения (Xu и др., 2009); и выживание новых шипов коррелирует с сохранением двигательного навыка (Ян и др., 2009). Кроме того, различные двигательные навыки, вероятно, кодируются различными субпопуляциями синапсов в моторной коре, так как изучение новой двигательной задачи у предварительно обученных мышей продолжает вызывать устойчивый оборот во взрослой моторной коре (Xu и др., 2009). Недавно было также установлено, что уровень глюкокортикоидов влияет на динамику позвоночника, обусловленную двигательным обучением. Тренировка мышей на пиках глюкокортикоидов приводила к более высокой скорости формирования позвоночника, в то время как впадины глюкокортикоидов после тренировки были необходимы для стабилизации шипов, образовавшихся во время тренировки и долгосрочного сохранения памяти (Liston и др., 2013). Зависимость, которая рассматривается как патологическое обучение (Hyman, 2005), вызывает те же временные изменения в динамике позвоночника, что и двигательное обучение. Используя парадигму предпочтения места, обусловленную кокаином, недавнее исследование изображений показало, что первоначальное воздействие кокаина способствовало формированию позвоночника во фронтальной коре и что количество новых стойких шипиков коррелировало с предпочтением контекста в паре с кокаином (Муньос-Куэвас и др., 2013). Что еще более интересно, динамика позвоночника в разных областях коры может варьироваться во время одной и той же задачи. Например, парадигма формирования страха, которая сочетает слуховые сигналы с толчками ног, продемонстрировала противоположные эффекты в слуховой и лобной коре. В слуховой коре было обнаружено, что усиление формирования позвоночника коррелировало с парным формированием страха, в то время как непарное кондиционирование было связано с усилением элиминации позвоночника (Moczulska и др., 2013). В коре лобных ассоциаций было обнаружено, что усиленное удаление позвоночника связано с обучением, в то время как формирование позвоночника было связано с исчезновением страха и восстановлением удаленных позвоночников, образовавшихся во время исчезновения (Лай и др., 2012). Взятые вместе, эти исследования показывают разнообразие временных правил, лежащих в основе динамики позвоночника, вызванной обучением. Формирование или удаление позвоночника во время обучения зависит от поведенческой парадигмы, а также от конкретной нервной цепи и типов клеток, участвующих в процессе обучения.

Стоит отметить, что все рассмотренные выше примеры относятся к не декларативной памяти, которая не включает в себя сознательное воспоминание о конкретном времени, месте и эпизодическом опыте (то есть декларативной памяти). Разведка в естественных условиях динамика позвоночника, связанная с декларативной памятью, оказывается гораздо более сложной. С одной стороны, гиппокамп, структура, определяющая формирование декларативной памяти, похоронен под корой и недоступен для стандартной двухфотонной микроскопии. С другой стороны, считается, что декларативная память диффузно хранится в больших неокортикальных сетях, что затрудняет целевую визуализацию. Следовательно, развитие методов глубокой визуализации мозга (например, микроэндоскопии, адаптивной оптики) вместе с лучшим пониманием распределения памяти в коре является ключом к будущему исследованию динамики позвоночника, лежащей в основе декларативной памяти.

ДИНАМИКА позвоночника при заболеваниях

Изменения плотности дендритного отдела позвоночника наблюдались при различных неврологических и психоневрологических заболеваниях. Каждое расстройство имеет свои характерные отклонения в динамике позвоночника, что дополнительно подтверждает идею о том, что позвоночники являются структурной основой правильного когнитивного функционирования. Растет согласие с тем, что аномалия позвоночника связана с поведенческим дефицитом и снижением когнитивных функций (подробнее см. Фиала и др., 2002; Penzes и др., 2011).

В моделях инсульта показано, что тяжелая ишемия приводит к быстрой потере позвоночника, которая обратима после реперфузии, если спасение выполняется в течение короткого периода времени (20 – 60 мин; Чжан и др.., 2005). После инсульта образование позвоночника и последующая элиминация увеличиваются в периинфарктной области, но не на кортикальных территориях, отдаленных от инфаркта или в контралатеральном полушарии (Браун и др., 2009; Johnston и др., 2013). Эта вызванная травмой пластичность достигает своего пика на 1 неделе после инсульта; с тех пор скорость формирования и устранения позвоночника неуклонно снижается. Это явление предполагает существование критического периода, в течение которого выжившие периинфарктные корковые ткани наиболее подвержены терапевтическим вмешательствам (Браун и др., 2007, 2009). В мышиной модели хронической боли частичное перевязывание седалищного нерва увеличивает образование и удаление позвоночника. Подобно модели инсульта, повышение скорости формирования позвоночника предшествует элиминации, что приводит к начальному увеличению плотности позвоночника с последующим его уменьшением. Такие эффекты могут быть устранены с помощью блокады тетродотоксина, что указывает на то, что ремоделирование позвоночника после поражения зависит от активности (Ким и Набекура, 2011).

Измененная динамика позвоночника также была обнаружена на животных моделях дегенеративных заболеваний. Например, потеря позвоночника ускоряется вблизи β-амилоидных бляшек в коре головного мозга (Tsai et al., 2004; Spiers и др., 2005). В модели на животных при болезни Хантингтона скорость формирования позвоночника увеличивается, но новообразованные шипы не сохраняются для включения в локальную схему, что приводит к чистому снижению плотности позвоночника (Мурму и др., 2013). В то время как нейродегенеративные заболевания, как правило, связаны с полной потерей позвоночника, при нарушениях нервного развития проявляются различные фенотипы позвоночника. В мышиной модели синдрома Fragile X шипы более многочисленны, и более высокий процент из них кажется незрелым при исследовании фиксированных тканей взрослых (Comery и др., 1997; Ирвин и др., 2000). в естественных условиях Исследования также показали, что у таких животных оборот позвоночника увеличивается в различных областях коры (Круз-Мартин и др., 2010; Pan et al., 2010; Падмашри и др., 2013), и ни урезание усов, ни моторное обучение не могли далее изменить динамику позвоночника (Pan et al., 2010; Падмашри и др., 2013). Обнаружено, что у мышей со сверхэкспрессией MECP2, родственного гену синдрома Ретта, прирост и потеря позвоночника повышены. Однако новые шипы более уязвимы для уничтожения, чем у мышей дикого типа, что приводит к чистой потере шипов (Цзян и др., 2013).

ГЛИАЛЬНЫЙ ВЗНОС В ДИНАМИКУ ПОЗВОНОЧНИКА

Нервная система включает два класса клеток: нейроны и глию. Самая интригующая роль глиальных клеток - их участие в синаптическом функционировании и динамике. Недавно несколько интересных исследований исследовали роль глиальной передачи сигналов в созревании и пластичности позвоночника. Например, было показано, что блокада поглощения астроцитарного глутамата ускоряет элиминацию позвоночника в зависимости от опыта во время подросткового развития (Yu et al., 2013). Также было обнаружено, что другой тип глиальных клеток, микроглия, находится в тесном контакте с дендритными шипами. Подвижность микроглиальных процессов и контакт позвоночника активно регулируются сенсорным опытом и участвуют в элиминации позвоночника (Tremblay и др., 2010). Кроме того, истощение микроглии привело к значительному уменьшению двигательного обучения, вызванного формированием позвоночника, и селективное удаление нейротрофического фактора, происходящего из мозга (BDNF), в микроглии повторяет эффекты истощения микроглии (Пархерст и др., 2013).

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ ДИНАМИКИ позвоночника

Структурная визуализация позвоночника позволяет предположить, что появление и исчезновение шипов не являются ни равномерными, ни случайными вдоль дендритов, а, скорее, происходят в пространственно избирательных «горячих точках». В моторной коре головного мозга мыши появляются новые позвоночники, которые образуются во время повторных тренировок с одной и той же моторной задачей. склонны к скоплению. Кроме того, добавление второго нового позвоночника в кластер часто связано с расширением первого нового позвоночника. В отличие от этого, шипы, образовавшиеся при тандемном выполнении различных двигательных задач или во время моторного обогащения, не группируются (Fu et al., 2012). Взятые вместе, эти наблюдения предполагают, что повторная активация первого нового позвоночника необходима для кластерного появления второго нового позвоночника. Подобная пространственная избирательность динамики позвоночника наблюдается в парадигме формирования страха: позвоночник, устраненный во время формирования страха, обычно заменяется позвоночником в его окрестностях (в пределах 2 мкм) во время исчезновения страха (Лай и др., 2012). Интересно, что на динамику позвоночника также влияет динамика тормозных синапсов. Монокулярная депривация значительно увеличивает скоординированную динамику шипов и тормозных синапсов рядом в пирамидальных нейронах слоя 2 / 3 (Chen et al., 2012). Эти результаты подтверждают модель кластерной пластичности, которая утверждает, что кластерные синапсы с большей вероятностью участвуют в кодировании той же информации, что и синапсы, рассеянные по дендритной древовидной структуре (Говиндараджан и др., 2006).

Объединяя в естественных условиях недавняя работа показала, что регистрация цельноклеточных пластырей и кальцификация отдельных позвоночников показывают, что шипы, настроенные на разные пиковые частоты, перемежаются вдоль дендритов пирамидальных нейронов в слуховой коре мыши (Chen et al., 2011). Этот вывод поднимает интересный вопрос: соответствуют ли новые кластеризованные шипы входам с похожими или различными характеристиками (например, модели активности, свойства настройки)? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо будет отобрать позвоночники по широкой области дендритного дерева, определить «горячие точки» ремоделирования позвоночника и объединить структурную визуализацию позвоночника с функциональной визуализацией в реальном времени. Такие эксперименты не только помогут выяснить клеточные механизмы зависимого от активности ремоделирования позвоночника, но также предоставят ключи к представлению и хранению информации в нейронах.

БУДУЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

В этой статье мы рассмотрели недавние исследования динамики дендритных шипов в живом мозге. Хотя эти исследования значительно расширили наше понимание того, как динамика позвоночника изменяется во времени и пространстве, остается много вопросов по различным направлениям. Например, существуют ли молекулярные маркеры, которые отличают стабильные колючки от новообразованных и колючки, подлежащие удалению? Поддерживается ли общее количество шипов с помощью гомеостатического механизма, чтобы дендрит мог поддерживать метаболическую потребность синаптической передачи? Отражает ли кластеризация новых шипов изменения силы существующих соединений с одним и тем же аксоном (при сохранении той же топологии сети), или это указывает на установление дополнительных соединений с соседними ранее не связанными аксонами? Стоит отметить, что все работы, рассмотренные выше, были сосредоточены на постсинаптической стороне, а это только половина истории. Другая важная детерминанта распределения и динамики позвоночника лежит на пресинаптической стороне: идентичность и геометрия пресинаптических аксонов и наличие аксонных бутонов. Знание такой пресинаптической информации имеет решающее значение для решения многих вопросов, возникающих из наблюдений за динамикой позвоночника. Однако идентификация пресинаптического партнера визуализированного дендритного позвоночника остается технической проблемой, поскольку пресинаптический аксон может происходить из множества источников и обычно смешивается со многими другими аксональными процессами. Кроме того, многое еще предстоит узнать о последовательности структурного ремоделирования, которая происходит в месте контакта между аксональным бутоном и позвоночником, и о том, как такая последовательность ассоциируется с образованием и устранением синапсов. Одновременная визуализация аксонных бутонов и их партнерских шипов в контексте поведенческих манипуляций предоставит обширную информацию для решения этого вопроса. Ретроспективные ультраструктурные исследования, такие как электронная микроскопия (Knott и др., 2009) и массив томографии (Мичева и Смит, 2007; Мичева и др., 2010) также может дополнять в естественных условиях визуализация для подтверждения наличия синапсов, а также для выявления молекулярных отпечатков изображенных структур.

Временная последовательность и пространственно избирательные перестройки нейронных связей, а также то, как эти изменения в совокупности способствуют изменениям поведения в результате переживаний, является одним из фундаментальных вопросов нейробиологии. Совершенствование методов визуализации, а также развитие электрофизиологии, молекулярной генетики и оптогенетики помогут раскрыть концепцию нейронной схемы на микроскопическом уровне, а также механизмы кодирования, интеграции и хранения информации в мозге.

АВТОРСКИЕ ВЗНОСЫ

Цзя-Чиен Чен сделал фигуру. Чиа-Чиен Чен, Джу Лу и И Цзо написали рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Ссылки