Spatiotemporal dynamik av dendritiska spines i den levande hjärnan (2014)

  • 1Institutionen för molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi, University of California i Santa Cruz, Santa Cruz, CA, USA
  • 2Institutionen för biovetenskap och James H. Clark Center, Stanford University, Stanford, CA, USA

Mini Review ARTIKEL

Främre. Neuroanat., 09 May 2014 | doi: 10.3389 / fnana.2014.00028

Abstrakt

Dendritiska spines är allestädes närvarande postsynaptiska ställen med de flesta excitatoriska synapser i däggdjurshjärnan och kan sålunda fungera som strukturella indikatorer på funktionella synapser. Nya arbeten har föreslagit att neuronkodning av minnen kan associeras med snabba förändringar i ryggradsbildning och eliminering. Tekniska framsteg har gjort det möjligt för forskare att studera ryggradsdynamik in vivo- under utveckling såväl som under olika fysiologiska och patologiska förhållanden. Vi tror att bättre förståelse av spatiotemporala mönster av ryggradsdynamik kommer att bidra till att belysa principerna för erfarenhetsberoende kretsmodifikation och informationsbehandling i den levande hjärnan.

Nyckelord: dendritisk ryggrad, in vivo-, tvåfoton avbildning, erfarenhetsberoende plasticitet, neuralt krets, cerebral cortex

INLEDNING

Dendritiska spines har fascinerat generationer neurovetenskapare sedan deras första beskrivning av Santiago Ramón y Cajal för mer än ett sekel sedan (Ramon y Cajal, 1888). Dessa känsliga utsprång kommer ut från den dendritiska axeln och liknar "bristling thorns or short spines", som beskrivs tydligt av Cajal. De är postsynaptiska platser för den stora majoriteten (> 90%) av excitatoriska glutamatergiska synapser i däggdjurshjärnan och innehåller väsentliga molekylära komponenter för postsynaptisk signalering och plasticitet. Därför kan ryggar och deras strukturella dynamik fungera som indikatorer för synaptisk anslutning och ändringar av dessa (Segal, 2005; Tada och Sheng, 2006; Harms och Dunaevsky, 2007).

De flesta tidiga studier på den dendritiska ryggraden undersökte fast neural vävnad med ljus eller elektronmikroskopi (Lund et al., 1977; Woolley et al., 1990; Harris och Kater, 1994; Hering och Sheng, 2001; Lippman och Dunaevsky, 2005). Trots att de tillhandahöll grundläggande information om ryggradsmorfologi och distribution, fångade dessa fasta vävnadsundersökningar bara statiska "ögonblicksbilder" av ryggraden. Introduktionen av fluorescerande märkningstekniker och multi-fotonmikroskopi revolutionerade fältet. I 2002, det banbrytande arbetet från två laboratorier (Grutzendler et al., 2002; Trachtenberg et al., 2002) visade möjligheten att spåra samma ryggrad i den levande hjärnan under en lång period (dvs. veckor) av tiden. I princip representerar ryggradsdynamik synapsdynamik. Medan stabila spines företrädesvis representerar synaptiska kontakter, representerar endast en liten del av transienta ryggraden kortlivade synaptiska kontakter, och resten av dem representerar misslyckad synaptogenes (Trachtenberg et al., 2002; Knott et al., 2006; Cane et al., 2014). Från sådana tidsfördröjda avbildningsstudier har en dynamisk bild av ryggrad uppstått: ryggraden formar, förstorar, krymper och drar tillbaka genom djurets livslängd. Dessutom varierar deras morfologi och dynamik bland neuronala typer, över utvecklingsstadier och som svar på erfarenheter som sensorisk stimulering och berövande, miljöanrikning och olika paradigmer för lärande (Holtmaat och Svoboda, 2009; Fu och Zuo, 2011).

Denna översyn fokuserar på resultat från in vivo- avbildningsstudier. För att karakterisera ryggradsdynamiken har forskare huvudsakligen ansett två aspekter: övergripande förändringar i ryggradens densitet och den specifika platsen längs dendriten där ryggbildning och eliminering uppstår. Medan ryggradens densitet ger en approximativ uppskattning av det totala antalet excitatoriska synapser på postsynaptisk neuron, påverkar placeringen av en ryggraden bidraget från dess synaptiskt överförda elektriska och kemiska signaler till det integrerade svaret vid soma (Nevian et al., 2007; Spruston, 2008). Förstå hur ryggradsdynamiken korrelerar med anatomiska och fysiologiska egenskaper hos specifika neurala kretsar i olika beteendemässiga sammanhang är avgörande för att belysa informationsbehandlings- och lagringsmekanismerna i hjärnan.

SPINE DYNAMICS UNDER UTVECKLING

Ryggdensitet varierar signifikant mellan olika populationer av neuroner, vilket sannolikt återspeglar mångfalden av neuronal morfologi och funktion (Nimchinsky et al., 2002; Ballesteros-Yanez et al., 2006). Balansen mellan ryggradssammansättning och eliminering bestämmer förändringen i ryggradens densitet: ett överskott av ryggradssammansättning över eliminering längs ett dendritiskt segment ökar ryggradens densitet och vice versa. I hjärnbarken, medan dendritiska grenar är mest stabila över tiden (Trachtenberg et al., 2002; Mizrahi och Katz, 2003; Chow et al., 2009; Mostany och Portera-Cailliau, 2011; Schubert et al., 2013), är spines konstant bildade och elimineras. Antalet ryggradssammansättning och eliminering förändras över tid, vilket resulterar i icke-monotonisk förändring i ryggradens densitet (Figur Figure11). Till exempel uppvisar ryggraden på de apikala dendriterna av skikt 2 / 3 pyramidala neuroner i gnagarecortex gradvis minskande rörlighet (förlängning och förkortning av ryggrad) och omsättningshastighet (definierad som den totala mängden vinster och förluster av ryggrad) mellan postnatal dag 7 och 24 (P7-24; Lendvai et al., 2000; Cruz-Martin et al., 2010). Ändå ökar ryggradens densitet kontinuerligt under denna tidsperiod (Cruz-Martin et al., 2010). Efter denna initiala fasen av nettospinalförstärkning börjar ryggradseliminering att överskrida bildningen, vilket leder till en övergripande minskning av ryggradens densitet (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005b; Yang et al., 2009). Mellan P28 och P42 elimineras 17% av spines längs apikala dendriter av skikt 5-pyramidala nervceller i muskärlcortexen, medan endast 5% nya spines bildas under samma tidsperiod (Zuo et al., 2005a, b). Viktigt är att inte alla spines är lika mottagliga för eliminering: de med stora huvuden är stabila än tunna. Eftersom ryggradsstorlek korrelerar med synaptisk styrka, föreslår detta fenomen att starkare synapser är stabila (Holtmaat et al., 2005). Dessutom är nybildade ryggraden mer sannolikt att elimineras än tidigare existerande ryggraden (Xu et al., 2009), och majoriteten av stabila ryggraden som bildas före ungdomar förblir inkorporerade i den vuxna neuronalkretsen (Zuo et al., 2005a; Yang et al., 2009; Yu et al., 2013). Slutligen når vuxna djur ryggbildning och eliminering når jämvikten. ryggradsdensiteten förblir ungefär konstant tills åldringen börjar (Zuo et al., 2005a; Mostany et al., 2013).

BILD 1 

Ryggradsmodellering vid olika stadier av ett djurs liv. Snabb spinogenes i tidig postnatal följs av en gradvis ryggradsskörning i ungdomar. Vid vuxen ålder uppnår ryggradsbildning och eliminering jämvikt med en liten del av ryggraden .

SPINE DYNAMICS FÖR SENSORISK UPPFÄRDNING

Den cerebrala cortex har den fantastiska förmågan att omorganisera sin krets som svar på erfarenheter. Därför är hur sensoriska erfarenheter (eller brist på det) påverkar ryggradsdynamiken av stor intresse för neurovetenskapliga. Både akuta och kroniska sensoriska manipulationer har visat sig påverka djupdynamiken djupt, men den exakta effekten beror på manipulationsparadigmet och varaktigheten samt djurets utvecklingsstadium. Under tidig postnatal period spelar sensoriska ingångar lärorika roller i stabilisering och mognad av ryggraden. I musens visuella cortex hindrade visuell inmatning från födseln minskningen av ryggradsmotilitet och mognad av ryggradsmorfologi (Majewska och Sur, 2003; Tropea et al., 2010). Genetisk deletion av PirB-receptorn liknade effekten av monokulär deprivation på ryggradsmotilitet (Djurisic et al., 2013). I möss som tidigare utsatts för visuell deprivering kan ljusinducerad ryggradsmodning delvis efterliknas av farmakologisk aktivering av GABAergic systemet, vilket föreslår en viktig roll av hämmande kretsar i mognad av excitatoriska synapser (Tropea et al., 2010). Senare driver den sensoriska erfarenheten ryggraden beskärning (definierad som nettoförlust av ryggrad). Unilateral trimning av alla whiskers i 1-månader gamla möss för 4- eller 14-dagar minskade dramatiskt ryggradseliminering i tunncortexen, men vänster ryggradsdannelse var i stort sett ostoppad (Zuo et al., 2005b; Yu et al., 2013). Farmakologisk blockad av NMDA-receptorer efterliknade effekten av whisker-trimning, vilket indikerar involveringen av NMDA-receptorvägen i sådan aktivitetsberoende ryggradshjälp (Zuo et al., 2005b).

Medan fullständig whisker-trimning avlägsnar sensorisk inmatning globalt, förstärker man alla andra whisker ("schackbrädans trimning") förmodligen någon skillnad i aktivitetsnivåer och mönster hos angränsande fat, varigenom en ny sensorisk upplevelse införs. Ett sådant paradigm har visat sig främja ryggradenomsättning och att stabilisera nybildade ryggraden selektivt i en underklass av kortikala nervceller (Trachtenberg et al., 2002; Holtmaat et al., 2006). Nya spines tillsattes företrädesvis på lager 5 pyramidala neuroner med komplexa apikala tufts, snarare än de med enkla tufts (Holtmaat et al., 2006). I αCaMKII-T286A-defekta möss misslyckades schackbrädet att öka stabiliseringen av nya ihållande spines vid gränsen mellan sparade och berövade fat (Wilbrecht et al., 2010). Nyligen en elegant studie som kombinerar optogenetisk stimulering och in vivo- bildbehandling visade att det är mönstret av neural aktivitet, snarare än storleken, som bestämmer stabiliteten hos dendritiska spines (Wyatt et al., 2012).

I likhet med schackbrädans trimning ökar kort monokulär deprivation (MD) skillnaden mellan ingångarna från två ögon. Således liknar schackbrättrimning, har MD visat sig öka ryggradssammansättningen längs apikala dendritiska tufts av skikt 5-pyramidala neuroner i den binokulära zonen i den musiska visuella cortexen. Emellertid observerades inte denna effekt i skikt 2 / 3-neuroner eller i den monokulära zonen (Hofer et al., 2009), vilket igen indikerar en celltypsspecifik synapsreformering. Intressant var det att en andra MD misslyckades med att öka ryggradssammansättningen ytterligare, men selektivt förstorade ryggraden som bildades under den ursprungliga MD, vilket tyder på att nya ryggrad som bildades under den ursprungliga MD hade funktionella synapser som reaktiverades under den andra MD (Hofer et al., 2009).

SPINE DYNAMICS UNDER LÄRNING

Den högdynamiska naturen hos dendritiska spines framkallar den framträdande tanken att spines kan tjäna som det strukturella substratet för lärande och minne. Det har föreslagits att nya spines (vanligtvis med små huvuden) ligger bakom minnesförvärv, medan stabila spines (vanligtvis med stora huvuden) tjänar som minneslagringsplatser (Bourne och Harris, 2007). Verkligen, in vivo- imaging studier har visat att i hjärnbarken korrelerar ryggradsdynamiken direkt med inlärningen. I musmotorcortexen börjar ryggradssammansättningen omedelbart när djuret lär sig en ny uppgift. Efter denna snabba spinogenes återgår ryggradens densitet till baslinjen genom förhöjd ryggradshindling (Xu et al., 2009; Yu och Zuo, 2011). I låtfåglar har högre omsättningshastighet för basfiner före låtlärning visat sig korrelera med en större kapacitet för efterföljande låtimitation (Roberts et al., 2010). Hos möss korrelerar mängden spines som uppnåtts under det inledande lärandet nära motorns prestanda för lärande förvärv (Xu et al., 2009); och överlevnad av nya ryggraden korrelerar med kvarhållandet av motorisk färdighet (Yang et al., 2009). Vidare kodas olika motorfärdigheter sannolikt av olika subpopuleringar av synapser i motorcortexen, eftersom lärande av en ny motoruppgift hos förutbildade möss fortsätter att inducera en robust omsättning i den vuxna motorcortexen (Xu et al., 2009). Nyligen har det också visat sig att glukokortikoidhalten påverkar motorinlärningsinducerad ryggradsdynamik. Träning av möss vid glukokortikoidtoppar resulterade i högre ryggradsdannelse medan glukocorticoid-tråg efter träning var nödvändig för stabilisering av ryggraden som bildades under träning och långvarig minnesretention (Liston et al., 2013). Addiction, som har ansetts vara patologiskt lärande (Hyman, 2005), framkallar liknande temporära förändringar i ryggradsdynamik som motorlärning gör. Med en kokainkonditionerad platspreferensparadigm visade en nybildningsundersökningsstudie att initial kokainexponering främja ryggbildning i den främre cortexen och att mängden nya persistenta ryggradsspår korrelerade med preferensen för kokainparametret (Munoz-Cuevas et al., 2013). Mer intressant kan ryggradsdynamiken i olika kortikala regioner variera under samma uppgift. Ett paradigm för rädslanläggning som parar auditiva signaler med fotstötar har till exempel visat motsatta effekter i hörsel- och frontalcortex. I den auditiva cortexen visade sig att ökad ryggradsbildning var korrelerad med parat räddningskonditionering, medan oparad konditionering var förknippad med ökad eliminering av ryggraden (Moczulska et al., 2013). I den främre associeringscortexen visade sig ökad ryggradseliminering vara associerad med inlärning, medan ryggradssammansättningen var associerad med rädslautrotning och omkalkning av eliminerade ryggraden som bildades under utrotning (Lai et al., 2012). Sammantaget avslöjar dessa studier mångfalden av tidsmässiga regler som ligger till grund för inlärningsinducerad ryggradsdynamik. Huruvida ryggraden formas eller avlägsnas under inlärningen beror på beteendeparadigmet såväl som den specifika neuronalkretsen och celltyper som deltar i lärprocessen.

Det är värt att notera att alla exemplen som diskuteras ovan hänvisar till icke-deklarativt minne, vilket inte innefattar medvetet återkallelse av specifik tid, plats och episodisk erfarenhet (det vill säga deklarativa minnet). Exploration of in vivo- ryggradsdynamik associerad med declarative minne visar sig vara mycket mer utmanande. Å ena sidan är hippocampus, den struktur som är avgörande för bildandet av deklarativt minne, begravd under cortex och bortom räckvidden för standard tvåfotonmikroskopi. Å andra sidan antas det deklarativa minnet att vara diffust lagrat i de stora neokortiska nätverken, vilket gör det svårt för målinriktade bilder. Därför är utvecklingen av djupa hjärnbilder av tekniker (t.ex. mikroendoskopi, adaptiv optik) tillsammans med en bättre förståelse av minnesallokering i cortex nyckeln till framtida utredning av ryggradsdynamik som ligger bakom deklarativa minnet.

SPINE DYNAMICS I SJUKDOMAR

Förändringar i dendritiska ryggradens densiteter har observerats i olika neurologiska och neuropsykiatriska sjukdomar. Varje sjukdom presenterar med sina egna känneteckenavvikelser i ryggradsdynamiken, vilket ytterligare bekräftar tanken att ryggraden är strukturella underlag för korrekt kognitiv funktion. Det finns växande enighet om att ryggradsmässig abnormitet är förknippad med beteendebrist och minskning av kognitiva funktioner (för detaljer se Fiala et al., 2002; Penzes et al., 2011).

I stroke-modeller är det visat att svår ischemi leder till snabb ryggradslösning, som är reversibel efter reperfusion om räddning utförs inom en kort tidsperiod (20-60 min; Zhang et al., 2005). Efter stroke ökar ryggradssammansättningen och efterföljande eliminering i peri-infarktregionen, men inte i kortikala områden långt ifrån infarkt eller i kontralaterala halvklotet (Brown et al., 2009; Johnston et al., 2013). Denna skadainducerad plasticitet når sin topp vid 1 vecka efter stroke; från och med då sjunker ryggradens bildning och eliminering stadigt. Detta fenomen föreslår existensen av en kritisk period under vilken de överlevande hjärtinfarktcorticala vävnaderna är mest mottagliga för terapeutiska ingrepp (Brown et al., 2007, 2009). I en musmodell för kronisk smärta ökar partiell sciatic nervligering uppkomsten av ryggrad och eliminering. På samma sätt som stroke-modellen föregår höjningen av ryggradssbildningshastigheten före eliminering, vilket leder till en initial ökning av ryggradens densitet följt av dess reduktion. Sådana effekter kan avskaffas genom tetrodotoxin-blockad, vilket indikerar att ryggradsmodellering efter lesion är aktivitetsberoende (Kim och Nabekura, 2011).

Ändrad ryggradsdynamik har också rapporterats i djurmodeller av degenerativa sjukdomar. Till exempel accelereras förlust av ryggrad i närheten av p-amyloidplakor i hjärnbarken (Tsai et al., 2004; Spiers et al., 2005). I en djurmodell av Huntingtons sjukdom ökar ryggbildningens formningshastighet, men nybildade ryggraden kvarstår inte att inkorporeras i den lokala kretsen, vilket resulterar i en netto minskning av ryggradens densitet (Murmu et al., 2013). Medan neurodegenerativa sjukdomar vanligen förknippas med nettosnyggelösning uppvisar neurodevelopmenta störningar olika ryggradsfenotyper. I en musmodell av Fragile X-syndrom är ryggraden mer talrika, och en högre andel av dem förefaller omogna vid undersökning av vuxna fixerade vävnader (Comery et al., 1997; Irwin et al., 2000). In vivo studier visade vidare att i sådana djur ökade ryggraden i olika kortikala områden (Cruz-Martin et al., 2010; Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013), och varken whisker trimming eller motorinlärning kan ytterligare ändra ryggradynamiken (Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013). I möss som överuttrycker MECP2, en Rett-syndromrelaterad gen, har det visat sig att både ryggradsvinster och förluster är förhöjda. Nya spines är dock mer sårbara för eliminering än hos vildtypsmus, vilket resulterar i en nettoförlust av ryggraden (Jiang et al., 2013).

GLENBIDRAG TILL SPINE DYNAMICS

Nervsystemet består av två klasser av celler: neuroner och glia. Glialcellernas mest fascinerande roll är deras deltagande i synaptisk funktion och dynamik. Nyligen utforskade några spännande studier rollen som glial signalering i ryggradsmognad och plasticitet. Blockad av astrocytisk glutamatupptagning har till exempel visat sig påskynda erfarenhetsberoende ryggradsledning under ungdomens utveckling (Yu et al., 2013). En annan typ av glialceller, microglia, har också visat sig vara i nära kontakt med dendritiska ryggraden. Motiliteten hos mikroglialprocesser och ryggradskontakt regleras aktivt av sensorisk erfarenhet och är involverade i ryggradsledning (Tremblay et al., 2010). Dessutom resulterade utarmningen av mikroglia i signifikant reduktion av motorinlärningsinducerad ryggradbildning och selektiv avlägsnande av hjärnavledd neurotrofisk faktor (BDNF) i microglia rekapitulerade effekterna av mikroglialutarmning (Parkhurst et al., 2013).

SPATIAL MANIFESTERING AV SPINE DYNAMICS

Strukturell avbildning av ryggraden har föreslagit att uppkomsten och försvinnandet av ryggraden varken är likformig eller slumpmässig längs dendriter, utan förekommer snarare vid rumsligt selektiva "hot spots". I musmotorbarken bildas nya ryggraden som bildas under upprepad träning med samma motoruppgift tenderar att kluster. Dessutom är tillsättning av den andra nya ryggraden i klustret ofta associerad med förstoringen av den första nya ryggraden. I motsats härtill klipper inte ryggraden som bildas vid tandemförflyttning av olika motoruppgifter eller vid motorberikning (Fu et al., 2012). Sammantaget föreslår dessa observationer att upprepad återaktivering av den första nya ryggraden krävs för den klusteruppkomsten av den andra nya ryggraden. Liknande rumslig selektivitet hos ryggradsdynamiken har observerats i rädslanordningsparadigmet: en ryggrad eliminerad under rädslan är vanligtvis ersatt av en ryggrad i närheten (inom 2 μm) under rädslautryckning (Lai et al., 2012). Intressant påverkas också ryggradsdynamiken av dynamik av hämmande synapser. Monokulär deprivation ökar signifikant koordinerad dynamik hos ryggraden och de hämmande synapserna i närheten av lager 2 / 3 pyramidala neuroner (Chen et al., 2012). Dessa fynd stöder den grupperade plasticitetsmodellen, vilken postulerar att grupperade synapser är mer benägna att delta i kodning av samma information än synapser dispergerade genom hela dendritisk arbor (Govindarajan et al., 2006).

Kombinera in vivo- helcellsplåstregistrering och enskild ryggradskalciumbildning har ett nyligen arbetat visat att ryggraden avstämda för olika toppfrekvenser är spridna längs dendriter av pyramidala neuroner i musens hörselcortex (Chen et al., 2011). Denna upptäckt ger upphov till en intressant fråga: kluster nya spines motsvarar ingångar med liknande eller olika egenskaper (t.ex. aktivitetsmönster, inställningsegenskaper)? För att ta itu med denna fråga kommer det att vara nödvändigt att prova ryggrad över ett brett område av dendritisk trädborrning, identifiera "hotspots" av ryggradsmodellering och kombinera strukturell avbildning av ryggrad med realtids funktionell bildbehandling. Sådana experiment kommer inte bara att bidra till att belysa cellmekanismerna för aktivitetsberoende ryggradsmodellering, utan också ge ledtrådar till informationsrepresentation och lagring i neuroner.

FRAMTIDA INRIKTNINGAR

I den här artikeln har vi granskat de senaste undersökningarna om dynamiken hos dendritiska spines i den levande hjärnan. Även om dessa studier har väsentligt avancerat vår förståelse för hur ryggradsdynamiken förändras temporärt och rumsligt, kvarstår många frågor på olika fronter. Till exempel finns det molekylära markörer som skiljer stabila ryggraden från nybildade ryggraden och ryggraden att elimineras? Är det totala antalet spines upprätthållna genom en homeostatisk mekanism, så att dendritet kan upprätthålla det metaboliska behovet av synaptisk överföring? Kluster av nya spines återspeglar förändringar i styrkan hos befintliga anslutningar med samma axon (samtidigt som samma nätverkstopologi upprätthålls), eller indikerar det upprättandet av ytterligare anslutningar med tidigare oanslutna axoner i närheten? Det är värt att notera att alla arbeten som diskuterats ovan har fokuserat på den postsynaptiska sidan, vilket bara är hälften av berättelsen. Den andra viktiga determinanten av ryggradsspridning och -dynamik ligger på presynaptisk sida: identyn och geometrin hos presynaptiska axoner och tillgången till axonala boutons. Att veta sådan presynaptisk information är avgörande för att lösa många av de frågor som följer av observationer av ryggradsdynamik. Identifiering av den presynaptiska partnern i en avbildad dendritisk ryggrad är dock en teknisk utmaning, eftersom den presynaptiska axonen kan härröra från en mängd källor och är vanligtvis blandad med många andra axonala processer. Dessutom är mycket kvar att lära sig om sekvensen av strukturell remodeling som uppträder vid kontaktplatsen mellan axonal bouton och ryggrad och hur en sådan sekvens associerar med bildande och eliminering av synapser. Samtidig avbildning av axonal boutons och deras partnering spines i samband med beteendemanipulation kommer att ge riklig information för att ta itu med denna fråga. Retrospektiva ultrastrukturella undersökningar som elektronmikroskopi (Knott et al., 2009) och Array Tomography (Micheva och Smith, 2007; Micheva et al., 2010) kan också komplettera in vivo- bildbehandling för att validera närvaron av synapser och att avslöja molekylära fingeravtryck av avbildade strukturer.

Den tidsmässiga sekvensen och rumsligt selektiva omarrangemang av neuronala förbindelser, och hur dessa förändras kollektivt bidrar till förändringar av beteende som ett resultat av erfarenheter, är en av de grundläggande frågorna i neurovetenskap. Förbättring inom bildteknik, tillsammans med utveckling inom elektrofysiologi, molekylärgenetik och optogenetik, kommer att bidra till att avslöja planen för neuronkretsar på mikroskopisk nivå, liksom mekanismerna för informationskodning, integration och lagring i hjärnan.

MYNDIGHETSBIDRAG

Chia-Chien Chen gjorde figuren. Chia-Chien Chen, Ju Lu och Yi Zuo skrev manuskriptet.

Intresseanmälan

Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Erkännanden

Detta arbete stöds av ett bidrag (R01MH094449) från National Institute of Mental Health till Yi Zuo.

REFERENSER

  1. Ballesteros-Yanez I., Benavides-Piccione R., Elston GN, Yuste R., Defelipe J. (2006). Densitet och morfologi av dendritiska spines i mus neocortex. Neuroscience 138 403-409 10.1016 / j.neuroscience.2005.11.038 [PubMed] [Cross Ref]
  2. Bourne J., Harris KM (2007). Lär dig tunna spines att vara svampspinor som kommer ihåg? Curr. Opin. Neurobiol. 17 381-386 10.1016 / j.conb.2007.04.009 [PubMed] [Cross Ref]
  3. Brown CE, Aminoltejari K., Erb H., Winship IR, Murphy TH (2009). In vivo spänningskänslig färgbildning i vuxna möss visar att somatosensoriska kartor förlorade mot stroke ersätts under veckor med nya strukturella och funktionella kretsar med långvariga aktiveringsmetoder inom både peri-infarktzonen och avlägsna platser. J. Neurosci. 29 1719-1734 10.1523 / JNEUROSCI.4249-08.2009 [PubMed] [Cross Ref]
  4. Brown CE, LiP, Boyd JD, Delaney KR, Murphy TH (2007). Omfattande omsättning av dendritiska spines och vaskulär remodeling i kortikala vävnader som återhämtar sig från stroke. J. Neurosci. 27 4101-4109 10.1523 / JNEUROSCI.4295-06.2007 [PubMed] [Cross Ref]
  5. Cane M., Maco B., Knott G., Holtmaat A. (2014). Förhållandet mellan PSD-95-klustring och ryggradsstabilitet in vivo. J. Neurosci. 34 2075-2086 10.1523 / JNEUROSCI.3353-13.2014 [PubMed] [Cross Ref]
  6. Chen JL, Villa KL, Cha JW, Så PT, Kubota Y., Nedivi E. (2012). Clustered dynamik av hämmande synapser och dendritiska ryggrad i den vuxna neocortexen. Neuron 74 361-373 10.1016 / j.neuron.2012.02.030 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  7. Chen X., Leischner U., Rochefort NL, Nelken I., Konnerth A. (2011). Funktionell kartläggning av enkla ryggrad i kortikala neuroner in vivo. Natur 475 501-505 10.1038 / nature10193 [PubMed] [Cross Ref]
  8. Chow DK, Groszer M., Pribadi M., Machniki M., Carmichael ST, Liu X., et al. (2009). Laminär och fackreglering av dendritisk tillväxt i mogen cortex. Nat. Neurosci. 12 116-118 10.1038 / nn.2255 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  9. Comery TA, Harris JB, Willems PJ, Oostra BA, Irwin SA, Weiler IJ, et al. (1997). Onormala dendritiska ryggrad i bräckliga X-knockout-möss: mognad och beskärning av underskott. Proc. Natl. Acad. Sci. usa 94 5401-5404 10.1073 / pnas.94.10.5401 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  10. Cruz-Martin A., Crespo M., Portera-Cailliau C. (2010). Fördröjd stabilisering av dendritiska spines i fragila X-möss. J. Neurosci. 30 7793-7803 10.1523 / JNEUROSCI.0577-10.2010 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  11. Djurisic M., Vidal GS, Mann M., Aharon A., Kim T., Ferrao Santos A., et al. (2013). PirB reglerar ett strukturellt substrat för kortikal plasticitet. Proc. Natl. Acad. Sci. usa 110 20771-20776 10.1073 / pnas.1321092110 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  12. Fiala JC, Spacek J., Harris KM (2002). Dendritisk ryggradspatologi: orsak eller konsekvens av neurologiska störningar? Brain Res. Brain Res. Varv. 39 29–54 10.1016/S0165-0173(02)00158-3 [PubMed] [Cross Ref]
  13. Fu M., Yu X., Lu J., Zuo Y. (2012). Repetitiv motorinlärning inducerar samordnad bildning av klyvda dendritiska spines in vivo. Natur 483 92-95 10.1038 / nature10844 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  14. Fu M., Zuo Y. (2011). Erfarenhetsberoende strukturell plasticitet i cortexen. Trender Neurosci. 34 177-187 10.1016 / j.tins.2011.02.001 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  15. Govindarajan A., Kelleher RJ, Tonegawa S. (2006). En grupperad plasticitetsmodell av långsiktiga minnes-engram. Nat. Rev. Neurosci. 7 575-583 10.1038 / nrn1937 [PubMed] [Cross Ref]
  16. Grutzendler J., Kasthuri N., Gan WB (2002). Långvarig dendritisk ryggradsstabilitet i vuxencortexen. Natur 420 812-816 10.1038 / nature01276 [PubMed] [Cross Ref]
  17. Harms KJ, Dunaevsky A. (2007). Dendritisk ryggradsplasticitet: ser bortom utveckling. Brain Res. 1184 65-71 10.1016 / j.brainres.2006.02.094 [PubMed] [Cross Ref]
  18. Harris KM, Kater SB (1994). Dendritiska ryggraden: Cellulära specialiseringar som ger både stabilitet och flexibilitet för synaptisk funktion. Annu. Rev. Neurosci. 17 341-371 10.1146 / annurev.ne.17.030194.002013 [PubMed] [Cross Ref]
  19. Hering H., Sheng M. (2001). Dendritiska spines: struktur, dynamik och reglering. Nat. Rev. Neurosci. 2 880-888 10.1038 / 35104061 [PubMed] [Cross Ref]
  20. Hofer SB, Mrsic-Flogel TD, Bonhoeffer T., Hubener M. (2009). Erfarenheten lämnar ett bestående strukturellt spår i kortikala kretsar. Natur 457 313-317 10.1038 / nature07487 [PubMed] [Cross Ref]
  21. Holtmaat A., Svoboda K. (2009). Erfarenhetsberoende strukturell synaptisk plasticitet i däggdjurshjärnan. Nat. Rev. Neurosci. 10 647-658 10.1038 / nrn2699 [PubMed] [Cross Ref]
  22. Holtmaat AJ, Trachtenberg JT, Wilbrecht L., Shepherd GM, Zhang X., Knott GW, et al. (2005). Transienta och ihållande dendritiska ryggrad i neocortex in vivo. Neuron 45 279-291 10.1016 / j.neuron.2005.01.003 [PubMed] [Cross Ref]
  23. Holtmaat A., Wilbrecht L., Knott GW, Welker E., Svoboda K. (2006). Erfarenhetsberoende och celltypspecifik ryggradstillväxt i neocortexen. Natur 441 979-983 10.1038 / nature04783 [PubMed] [Cross Ref]
  24. Hyman SE (2005). Addiction: en sjukdom av lärande och minne. Am. J. Psychiatry 162 1414-1422 10.1176 / appi.ajp.162.8.1414 [PubMed] [Cross Ref]
  25. Irwin SA, Galvez R., Greenough WT (2000). Dendritiska ryggradsstrukturella anomalier i bräckligt X-mentalt retardationssyndrom. Cereb. Bark 10 1038-1044 10.1093 / cercor / 10.10.1038 [PubMed] [Cross Ref]
  26. Jiang M., Ash RT, Baker SA, Suter B., Ferguson A., Park J., et al. (2013). Dendritisk arborisering och ryggradsdynamik är onormala i musmodellen av MECP2-dupliceringssyndrom. J. Neurosci. 33 19518-19533 10.1523 / JNEUROSCI.1745-13.2013 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  27. Johnston DG, Denizet M., Mostany R., Portera-Cailliau C. (2013). Kronisk in vivo-bildbehandling visar inget bevis på dendritisk plasticitet eller funktionell remapping i den kontralesala cortexen efter stroke. Cereb. Bark 23 751-762 10.1093 / cercor / bhs092 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  28. Kim SK, Nabekura J. (2011). Rapid synaptisk remodeling i den vuxna somatosensoriska cortexen efter perifer nervskada och dess samband med neuropatisk smärta. J. Neurosci. 31 5477-5482 10.1523 / JNEUROSCI.0328-11.2011 [PubMed] [Cross Ref]
  29. Knott GW, Holtmaat A., Trachtenberg JT, Svoboda K., Welker E. (2009). Ett protokoll för framställning av GFP-märkta neuroner som tidigare avbildats in vivo och i skivberedningar för ljus- och elektronmikroskopisk analys. Natl. Protoc. 4 1145-1156 10.1038 / nprot.2009.114 [PubMed] [Cross Ref]
  30. Knott GW, Holtmaat A., Wilbrecht L., Welker E., Svoboda K. (2006). Ryggradstillväxten föregår synapsbildning i den vuxna neocortex in vivo. Nat. Neurosci. 9 1117-1124 10.1038 / nn1747 [PubMed] [Cross Ref]
  31. Lai CS, Franke TF, Gan WB (2012). Motsatta effekter av rädsla kondition och utrotning på dendritisk ryggrad remodeling. Natur 483 87-91 10.1038 / nature10792 [PubMed] [Cross Ref]
  32. Lendvai B., Stern EA, Chen B., Svoboda K. (2000). Erfarenhetsberoende plasticitet av dendritiska ryggrad i den utvecklande råttacortexen in vivo. Natur 404 876-881 10.1038 / 35009107 [PubMed] [Cross Ref]
  33. Lippman J., Dunaevsky A. (2005). Dendritisk ryggradsmorfogenes och plasticitet. J. Neurobiol. 64 47-57 10.1002 / neu.20149 [PubMed] [Cross Ref]
  34. Liston C., Cichon JM, Jeanneteau F., Jia Z., Chao M. V, Gan WB (2013). Cirkadiska glukokortikoidoscillationer främjar inlärningsberoende synapsbildning och underhåll. Nat. Neurosci. 16 698-705 10.1038 / nn.3387 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  35. Lund JS, Boothe RG, Lund RD (1977). Utveckling av neuroner i apa (visuell cortex (area 17) hos apan (Macaca nemestrina): en Golgi-studie från fosterdagen 127 till postnatal mognad. J. Comp. Neurol. 176 149-188 10.1002 / cne.901760203 [PubMed] [Cross Ref]
  36. Majewska A., Sur M. (2003). Motivitet hos dendritiska ryggrad i visuell cortex in vivo: förändras under kritisk period och effekter av visuell deprivation. Proc. Natl. Acad. Sci. usa 100 16024-16029 10.1073 / pnas.2636949100 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  37. Micheva KD, Busse B., Weiler NC, O'Rourke N., Smith SJ (2010). Enkinsynapsanalys av en mångfaldig synapspopulation: proteomiska avbildningsmetoder och markörer. Neuron 68 639-653 10.1016 / j.neuron.2010.09.024 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  38. Micheva KD, Smith SJ (2007). Array-tomografi: Ett nytt verktyg för avbildning av molekylär arkitektur och ultrastruktur av neurala kretsar. Neuron 55 25-36 10.1016 / j.neuron.2007.06.014 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  39. Mizrahi A., Katz LC (2003). Dendritisk stabilitet i den vuxna olfaktoriska lampan. Nat. Neurosci. 6 1201-1207 10.1038 / nn1133 [PubMed] [Cross Ref]
  40. Moczulska KE, Tinter-Thiede J., Peter M., Ushakova L., Wernle T., Bathellier B., et al. (2013). Dynamik av dendritiska spines i musens hörselcortex under minnesbildning och minnesåterkallelse. Proc. Natl. Acad. Sci. usa 110 18315-18320 10.1073 / pnas.1312508110 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  41. Mostany R., Anstey JE, Crump KL, Maco B., Knott G., Portera-Cailliau C. (2013). Förändrad synaptisk dynamik under normal hjärnåldring. J. Neurosci. 33 4094-4104 10.1523 / JNEUROSCI.4825-12.2013 [PubMed] [Cross Ref]
  42. Mostany R., Portera-Cailliau C. (2011). Frånvaro av storskalig dendritisk plasticitet av lager 5 pyramidala neuroner i peri-infarktcortex. J. Neurosci. 31 1734-1738 10.1523 / JNEUROSCI.4386-10.2011 [PubMed] [Cross Ref]
  43. Munoz-Cuevas FJ, Athilingam J., Piscopo D., Wilbrecht L. (2013). Kokaininducerad strukturell plasticitet i frontal cortex korrelerar med konditionerad platspreferens. Nat. Neurosci. 16 1367-1369 10.1038 / nn.3498 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  44. Murmu RP, LiW, Holtmaat A., Li JY (2013). Dendritisk ryggradslöshet leder till progressiv neokortisk ryggradsförlust i en musmodell av Huntingtons sjukdom. J. Neurosci. 33 12997-13009 10.1523 / JNEUROSCI.5284-12.2013 [PubMed] [Cross Ref]
  45. Nevian T., Larkum ME, Polsky A., Schiller J. (2007). Egenskaper hos basala dendriter av skikt 5 pyramidala neuroner: en direkt patch-clamp inspelningsstudie. Nat. Neurosci. 10 206-214 10.1038 / nn1826 [PubMed] [Cross Ref]
  46. Nimchinsky EA, Sabatini BL, Svoboda K. (2002). Struktur och funktion av dendritiska spines. Annu. Rev. Physiol. 64 313-353 10.1146 / annurev.physiol.64.081501.160008 [PubMed] [Cross Ref]
  47. Padmashri R., Reiner BC, Suresh A., Spartz E., Dunaevsky A. (2013). Ändrad strukturell och funktionell synaptisk plasticitet med motorisk skicklighetsinlärning i en musmodell av ömtåligt x-syndrom. J. Neurosci. 33 19715-19723 10.1523 / JNEUROSCI.2514-13.2013 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  48. Pan F., Aldridge GM, Greenough WT, Gan WB (2010). Dendritisk ryggradsstabilitet och okänslighet för modulering genom sensorisk erfarenhet i en musmodell av ömtåligt X-syndrom. Proc. Natl. Acad. Sci. usa 107 17768-17773 10.1073 / pnas.1012496107 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  49. Parkhurst CN, Yang G., Ninan I., Savas JN, Yates JR, III, Lafaille JJ, et al. (2013). Microglia främjar inlärningsberoende synapsbildning genom hjärnavledad neurotrofisk faktor. Cell 155 1596-1609 10.1016 / j.cell.2013.11.030 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  50. Penzes P., Cahill ME, Jones KA, Vanleeuwen JE, Woolfrey KM (2011). Dendritisk ryggradspatologi vid neuropsykiatriska störningar. Nat. Neurosci. 14 285-293 10.1038 / nn.2741 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  51. Ramon y Cajal S. (1888). Estructura de los centros nerviosos de las aves Rev. Trimma. Histol. Norm. Klappa. 1 1-10
  52. Roberts TF, Tschida KA, Klein ME, Mooney R. (2010). Snabb ryggradsstabilisering och synaptisk förstärkning vid uppkomsten av beteendeinlärning. Natur 463 948-952 10.1038 / nature08759 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  53. Schubert V., Lebrecht D., Holtmaat A. (2013). Perifera deafferentationsdrivna funktionella somatosensoriska kartskift är förenade med lokal, inte storskalig dendritisk strukturell plasticitet. J. Neurosci. 33 9474-9487 10.1523 / JNEUROSCI.1032-13.2013 [PubMed] [Cross Ref]
  54. Segal M. (2005). Dendritiska ryggrad och långvarig plasticitet. Nat. Rev. Neurosci. 6 277-284 10.1038 / nrn1649 [PubMed] [Cross Ref]
  55. Spiers TL, Meyer-Luehmann M., Stern EA, Mclean PJ, Skoch J., Nguyen PT, et al. (2005). Dendritiska ryggradsavvikelser hos amyloidprekursorproteintransgena möss demonstrerade genom genöverföring och intravital multiphotonmikroskopi. J. Neurosci. 25 7278-7287 10.1523 / JNEUROSCI.1879-05.2005 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  56. Spruston N. (2008). Pyramidala neuroner: Dendritisk struktur och synaptisk integration. Nat. Rev. Neurosci. 9 206-221 10.1038 / nrn2286 [PubMed] [Cross Ref]
  57. Tada T., Sheng M. (2006). Molekylära mekanismer av dendritisk ryggradsmorfogenes. Curr. Opin. Neurobiol 16 95-101 10.1016 / j.conb.2005.12.001 [PubMed] [Cross Ref]
  58. Trachtenberg JT, Chen BE, Knott GW, Feng G., Sanes JR, Welker E., et al. (2002). Långvarig in vivo avbildning av erfarenhetsberoende synaptisk plasticitet i vuxen cortex. Natur 420 788-794 10.1038 / nature01273 [PubMed] [Cross Ref]
  59. Tremblay ME, Lowery RL, Majewska AK (2010). Mikrogliala interaktioner med synapser moduleras av visuell erfarenhet. PLoS Biol. 8: e1000527 10.1371 / journal.pbio.1000527 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  60. Tropea D., Majewska AK, Garcia R., Sur M. (2010). Strukturell dynamik hos synapser in vivo korrelerar med funktionella förändringar under erfarenhetsberoende plasticitet i visuell cortex. J. Neurosci. 30 11086-11095 10.1523 / JNEUROSCI.1661-10.2010 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  61. Tsai J., Grutzendler J., Duff K., Gan WB (2004). Fibrillär amyloidavsättning leder till lokala synaptiska abnormiteter och brott av neuronala grenar. Nat. Neurosci. 7 1181-1183 10.1038 / nn1335 [PubMed] [Cross Ref]
  62. Wilbrecht L., Holtmaat A., Wright N., Fox K., Svoboda K. (2010). Strukturell plasticitet ligger under erfarenhetsberoende funktionell plasticitet av kortikala kretsar. J. Neurosci. 30 4927-4932 10.1523 / JNEUROSCI.6403-09.2010 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  63. Woolley CS, Gould E., Frankfurt M., Mcewen BS (1990). Naturligt förekommande fluktuationer i dendritisk ryggradensitet på vuxna hippocampala pyramidala neuroner. J. Neurosci. 10 4035-4039 [PubMed]
  64. Wyatt RM, Tring E., Trachtenberg JT (2012). Mönster och inte storhet av neural aktivitet bestämmer dendritisk ryggradsstabilitet i vakna möss. Nat. Neurosci. 15 949-951 10.1038 / nn.3134 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  65. Xu T., Yu X., Perlik AJ, Tobin WF, Zweig JA, Tennant K., et al. (2009). Snabb bildande och selektiv stabilisering av synapser för varaktiga motorminnen. Natur 462 915-919 10.1038 / nature08389 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  66. Yang G., Pan F., Gan WB (2009). Stabilt upprätthållna dendritiska ryggraden är förknippade med livslånga minnen. Natur 462 920-924 10.1038 / nature08577 [PubMed] [Cross Ref]
  67. Yu X., Wang G., Gilmore A., Yee AX, Li X., Xu T., et al. (2013). Accelererad erfarenhetsberoende beskärning av kortikala synapser i ephrin-A2 knockout-möss. Neuron 80 64-71 10.1016 / j.neuron.2013.07.014 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  68. Yu X., Zuo Y. (2011). Ryggradsplastik i motorcortexen. Curr. Opin. Neurobiol. 21 169-174 10.1016 / j.conb.2010.07.010 [PMC gratis artikel] [PubMed] [Cross Ref]
  69. Zhang S., Boyd J., Delaney K., Murphy TH (2005). Snabba reversibla förändringar i dendritisk ryggradsstruktur in vivo gated av graden av ischemi. J. Neurosci. 25 5333-5338 10.1523 / JNEUROSCI.1085-05.2005 [PubMed] [Cross Ref]
  70. Zuo Y., Lin A., Chang P., Gan WB (2005a). Utveckling av långvarig dendritisk ryggradsstabilitet i olika områden av hjärnbarken. Neuron 46 181-189 10.1016 / j.neuron.2005.04.001 [PubMed] [Cross Ref]
  71. Zuo Y., Yang G., Kwon E., Gan WB (2005b). Långvarig sensorisk depression förhindrar dendritisk ryggradslösning i primär somatosensorisk cortex. Natur 436 261-265 10.1038 / nature03715 [PubMed] [Cross Ref]