พลวัต Spatiotemporal ของกระดูกสันหลัง dendritic ในสมองที่มีชีวิต (2014)

เงี้ยว Dendritic เป็นบริเวณที่มีการโพสต์ประสาทสัมผัสที่แพร่หลายของ synapses ที่น่าตื่นเต้นที่สุดในสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและอาจทำหน้าที่เป็นตัวชี้วัดโครงสร้างของการทำงานของประสาท ผลงานล่าสุดได้แนะนำว่าการเข้ารหัสเส้นประสาทของความทรงจำอาจเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการสร้างกระดูกสันหลังและการกำจัด ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลัง ในร่างกาย ในระหว่างการพัฒนาเช่นเดียวกับภายใต้เงื่อนไขทางสรีรวิทยาและพยาธิวิทยาต่างๆ เราเชื่อว่าความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับรูปแบบ spatiotemporal ของการเปลี่ยนแปลงกระดูกสันหลังจะช่วยอธิบายหลักการของการปรับเปลี่ยนวงจรขึ้นอยู่กับประสบการณ์และการประมวลผลข้อมูลในสมองที่มีชีวิต

บทนำ

กระดูกสันหลังของ Dendritic นั้นสร้างความประทับใจให้กับนักประสาทวิทยาหลายชั่วอายุคนนับตั้งแต่การบรรยายครั้งแรกของพวกเขาโดย Santiago Ramón y Cajal เมื่อกว่าหนึ่งศตวรรษที่แล้ว (Ramon y Cajal, 1888). ส่วนที่ยื่นออกมาที่บอบบางเหล่านี้เล็ดลอดออกมาจากก้านเดนไดรติกและมีลักษณะคล้ายกับ "หนามขนแปรงหรือหนามสั้น ๆ " ตามที่ Cajal อธิบายไว้อย่างชัดเจน ไซต์เหล่านี้เป็นไซต์โพสซินแนปติกของส่วนใหญ่ (> 90%) ของซินแนปส์กลูตามาเทอร์จิกที่กระตุ้นในสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและมีส่วนประกอบของโมเลกุลที่จำเป็นสำหรับการส่งสัญญาณโพสต์ซินแนปติกและความเป็นพลาสติก ดังนั้นกระดูกสันหลังและพลวัตของโครงสร้างอาจทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้สำหรับการเชื่อมต่อแบบซินแนปติกและการปรับเปลี่ยนดังกล่าว (Segal, 2005; Tada และ Sheng, 2006; Harms and Dunaevsky, 2007).

การศึกษาที่เร็วที่สุดเกี่ยวกับกระดูกสันหลัง dendritic ตรวจสอบเนื้อเยื่อระบบประสาทคงที่ด้วยกล้องจุลทรรศน์แสงหรืออิเล็กตรอน (Lund et al., 1977; Woolley และคณะ 1990; Harris และ Kater, 1994; Hering and Sheng, 2001; Lippman และ Dunaevsky, 2005) แม้ว่าพวกเขาจะให้ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาและการกระจายกระดูกสันหลังการตรวจเนื้อเยื่อคงที่เหล่านี้จับเฉพาะ“ สแนปชอต” ของกระดูกสันหลังเท่านั้น การแนะนำเทคนิคการติดฉลากแบบฟลูออเรสเซนต์และกล้องจุลทรรศน์หลายโฟตอนได้ปฏิวัติสนาม ใน 2002 ผู้บุกเบิกงานจากห้องปฏิบัติการสองแห่ง (Grutzendler และคณะ, 2002; Trachtenberg และคณะ, 2002) แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการติดตามกระดูกสันหลังที่เหมือนกันในสมองที่มีชีวิตเป็นเวลานาน (เช่นสัปดาห์) ของเวลา โดยหลักการแล้วการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังจะเป็นตัวแทนของการเปลี่ยนแปลงแบบ ในขณะที่กระดูกสันหลังมีเสถียรภาพส่วนใหญ่เป็นตัวแทนของการติดต่อ synaptic เพียงเศษเล็ก ๆ น้อย ๆ ของกระดูกสันหลังชั่วคราวเป็นตัวแทนของการติดต่อ synaptic อายุสั้นและส่วนที่เหลือของพวกเขาเป็นตัวแทนของ synaptogenesis ล้มเหลว (Trachtenberg และคณะ, 2002; Knott และคณะ, 2006; Cane et al., 2014) จากการศึกษาการถ่ายภาพแบบไทม์แลปส์ทำให้เกิดภาพไดนามิกของกระดูกสันหลัง: รูปแบบกระดูกสันหลัง, ขยาย, หดและหดกลับตลอดอายุการใช้งานของสัตว์ นอกจากนี้ลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการเปลี่ยนแปลงของพวกเขาแตกต่างกันไปตามประเภทของเซลล์ประสาทข้ามขั้นตอนการพัฒนาและในการตอบสนองต่อประสบการณ์เช่นการกระตุ้นประสาทสัมผัสและการกีดกันการเสริมสร้างสภาพแวดล้อมและกระบวนทัศน์การเรียนรู้ต่างๆHoltmaat และ Svoboda, 2009; Fu และ Zuo, 2011).

รีวิวนี้มุ่งเน้นผลลัพธ์จาก ในร่างกาย การศึกษาด้านภาพ ในการอธิบายลักษณะการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังนักวิจัยได้พิจารณาสองด้านหลัก ๆ คือการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของความหนาแน่นของกระดูกสันหลังและตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงตามแนว dendrite ที่การก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดเกิดขึ้น ในขณะที่ความหนาแน่นของกระดูกสันหลังให้ค่าประมาณจำนวนรวมของ excitatory synapses ไปยังเซลล์ประสาท postsynaptic ที่ตั้งของกระดูกสันหลังมีผลต่อการมีส่วนร่วมของสัญญาณไฟฟ้าและสารเคมีที่ส่ง synaptically ของการตอบสนองแบบบูรณาการที่ Soma (เนเวียนและอัล 2007; Spruston, 2008) การทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังมีความสัมพันธ์กับลักษณะทางกายวิภาคและสรีรวิทยาของวงจรประสาทที่เฉพาะเจาะจงในบริบทของพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างไรมีความสำคัญต่อการอธิบายการประมวลผลข้อมูลและกลไกการเก็บรักษาในสมอง

ไดนามิกส์กระดูกสันหลังในระหว่างการพัฒนา

ความหนาแน่นของกระดูกสันหลังแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในประชากรที่มีความหลากหลายของเซลล์ประสาทอาจสะท้อนให้เห็นถึงความหลากหลายของสัณฐานวิทยาและการทำงานของเส้นประสาทNimchinsky et al., 2002; Ballesteros-Yanez และคณะ, 2006) ความสมดุลระหว่างการก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดกำหนดการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของกระดูกสันหลัง: ส่วนเกินของการก่อกระดูกสันหลังมากกว่าการกำจัดไปตามส่วน dendritic เพิ่มความหนาแน่นของกระดูกสันหลังนั้นและในทางกลับกัน ในเยื่อหุ้มสมองในขณะที่กิ่ง dendritic ส่วนใหญ่มีเสถียรภาพตลอดเวลา (Trachtenberg และคณะ, 2002; Mizrahi และ Katz, 2003; Chow et al., 2009; Mostany และ Portera-Cailliau, 2011; Schubert และคณะ, 2013) ครีบจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและกำจัด อัตราการก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดเปลี่ยนไปตามกาลเวลาส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบ non-monotonic ในความหนาแน่นของกระดูกสันหลัง (รูป Figure11) ยกตัวอย่างเช่นเงี่ยงบนยอด dendrites 2 / 3 พีระมิดเซลล์ประสาทในหนูเยื่อหุ้มสมองเปลือกนอกแสดงค่อย ๆ ลดความเคลื่อนไหว (ยืดและสั้นของกระดูกสันหลัง) และอัตราการหมุนเวียน (กำหนดจำนวนรวมของกำไรและการสูญเสียกระดูกสันหลัง) และ 7 (P24-7; Lendvai และคณะ, 2000; Cruz-Martin และคณะ, 2010) อย่างไรก็ตามความหนาแน่นของกระดูกสันหลังเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลานี้ (Cruz-Martin และคณะ, 2010) หลังจากระยะเริ่มต้นของการเพิ่มขึ้นของกระดูกสันหลังสุทธินี้การกำจัดกระดูกสันหลังเริ่มที่จะแซงหน้าการก่อตัวซึ่งนำไปสู่การลดความหนาแน่นของกระดูกสันหลังโดยรวม (Holtmaat และคณะ 2005; Zuo และคณะ, 2005b; Yang et al., 2009) ระหว่าง P28 และ P42, 17% ของครีบจะถูกกำจัดไปตามปลายยอดของเซลล์ 5 เสี้ยมเสี้ยมในเยื่อหุ้มสมองบาร์เรลในขณะที่เพียง 5% ของกระดูกสันหลังใหม่จะเกิดขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน (Zuo และคณะ, 2005a, b) ที่สำคัญสันหลังทุกอันนั้นมีความอ่อนไหวต่อการกำจัดอย่างเท่าเทียมกัน: ผู้ที่มีหัวโตมีความเสถียรมากกว่าบาง เมื่อขนาดของกระดูกสันหลังมีความสัมพันธ์กับความแข็งแรงของ synaptic ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าการซิงค์ที่แข็งแกร่งนั้นมีความเสถียรมากกว่า (Holtmaat และคณะ 2005) นอกจากนี้หนามที่เพิ่งสร้างใหม่นั้นมีแนวโน้มที่จะถูกกำจัดมากกว่าหนามที่มีอยู่แล้ว (Xu และคณะ, 2009) และกระดูกสันหลังส่วนใหญ่ที่ก่อตัวขึ้นก่อนวัยรุ่นยังคงอยู่ในวงจรประสาทของผู้ใหญ่ (Zuo และคณะ, 2005a; Yang et al., 2009; Yu และคณะ, 2013) ในที่สุดในสัตว์ที่เป็นผู้ใหญ่การก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดไปถึงสมดุล; ความหนาแน่นของกระดูกสันหลังยังคงที่ประมาณจนกว่าจะมีอาการของริ้วรอย (Zuo และคณะ, 2005a; Mostany และคณะ 2013).

 

รูป 1

กระดูกสันหลังเปลี่ยนแปลงในระยะต่าง ๆ ของชีวิตสัตว์. Spinogenesis อย่างรวดเร็วในช่วงต้นหลังคลอดตามด้วยการตัดแต่งกิ่งกระดูกสันหลังทีละน้อยในวัยรุ่น ในวัยผู้ใหญ่การก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดไปถึงสมดุลกับกระดูกสันหลังเล็ก ๆ น้อย ๆ ...

ไดนามิกส์กระดูกสันหลังในการตอบสนองต่อประสบการณ์ความรู้สึก

เยื่อหุ้มสมองสมองมีความสามารถที่น่าทึ่งในการจัดวงจรใหม่เพื่อตอบสนองต่อประสบการณ์ ดังนั้นประสบการณ์ทางประสาทสัมผัส (หรือขาด) ผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังเป็นที่สนใจของนักประสาทวิทยา การเปลี่ยนแปลงทางประสาทสัมผัสทั้งแบบเฉียบพลันและเรื้อรังมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังอย่างลึกซึ้ง แต่ผลที่แน่นอนขึ้นอยู่กับกระบวนทัศน์และระยะเวลาการยักย้ายถ่ายเทเช่นเดียวกับขั้นตอนการพัฒนาของสัตว์ ในช่วงระยะหลังคลอดก่อนกำหนดปัจจัยการรับรู้ทางประสาทสัมผัสมีบทบาทที่เป็นประโยชน์ในการรักษาเสถียรภาพและการเจริญเติบโตของกระดูกสันหลัง ในคอร์เทกซ์สายตาของเมาส์การกีดกันการมองเห็นตั้งแต่แรกเกิดทำให้การเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลังลดลงและการสุกของสัณฐานวิทยาของกระดูกสันหลัง (Majewska และ Sur, 2003; Tropea และคณะ, 2010) การลบพันธุกรรมของตัวรับ PirB เลียนแบบผลของการถูกตัดตาข้างเดียวต่อการเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลัง (Djurisic และคณะ, 2013) ในหนูที่เคยถูกกีดกันจากการมองเห็นก่อนหน้านี้การสุกของกระดูกสันหลังที่เกิดจากแสงสามารถเลียนแบบได้บางส่วนโดยการกระตุ้นทางเภสัชวิทยาของระบบ GABAergic ซึ่งแสดงให้เห็นถึงบทบาทที่สำคัญของวงจรการยับยั้งในการเจริญเติบโตของเซลล์ประสาทTropea และคณะ, 2010) หลังจากนั้นประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสทำให้เกิดการตัดแต่งกระดูกสันหลัง (หมายถึงการสูญเสียกระดูกสันหลัง) การตัดข้างเดียวของหนวดทั้งหมดในหนูอายุ 1 เดือนสำหรับ 4 หรือ 14 วันลดการกำจัดกระดูกสันหลังลงอย่างมากในเยื่อหุ้มสมองบาร์เรล แต่การก่อตัวของกระดูกสันหลังส่วนใหญ่ไม่ถูกรบกวน (Zuo และคณะ, 2005b; Yu และคณะ, 2013) การปิดล้อมทางเภสัชวิทยาของตัวรับ NMDA เลียนแบบผลของการตัดแต่งหนวดแมวซึ่งบ่งชี้ว่าการมีส่วนร่วมของเส้นทางตัวรับ NMDA ในการกำจัดกระดูกสันหลังขึ้นอยู่กับกิจกรรมดังกล่าว (Zuo และคณะ, 2005b).

ในขณะที่การตัดหนวดอย่างสมบูรณ์นั้นจะนำเอาประสาทสัมผัสออกไปทั่วโลก แต่การตัดส่วนหนวดเคราอื่น ๆ (“ การตัดกระดานหมากรุก”) จะช่วยเพิ่มความแตกต่างในระดับกิจกรรมและรูปแบบของถังข้างเคียงดังนั้นจึงเป็นการเปิดประสบการณ์ใหม่ กระบวนทัศน์ดังกล่าวได้รับการแสดงเพื่อส่งเสริมการหมุนเวียนกระดูกสันหลังและเพื่อรักษาเสถียรภาพที่เกิดขึ้นใหม่สันเลือกใน subclass ของเซลล์ประสาทเยื่อหุ้มสมอง (Trachtenberg และคณะ, 2002; Holtmaat และคณะ 2006) หนามใหม่ถูกเพิ่มเข้ามาในเซลล์ประสาทชั้นพีระมิด 5 ที่มีปลายกระจุกเชิงซ้อนที่ซับซ้อนมากกว่าที่มีกระจุกง่าย (Holtmaat และคณะ 2006) ในαCaMKII-T286A หนูที่มีข้อบกพร่องการตัดแต่งกระดานหมากรุกล้มเหลวในการเพิ่มความมั่นคงของกระดูกสันหลังหนามใหม่ที่ชายแดนระหว่างถังที่แยกและไม่ใช้ถัง (Wilbrecht et al., 2010) เมื่อเร็ว ๆ นี้การศึกษาที่สง่างามรวมการกระตุ้นด้วยแสงและ ในร่างกาย การถ่ายภาพแสดงให้เห็นว่ามันเป็นรูปแบบของกิจกรรมประสาทมากกว่าขนาดที่กำหนดความมั่นคงของกระดูกสันหลัง dendritic (ไวแอตและอัล 2012).

เช่นเดียวกับการตัดแต่งกระดานหมากรุกการตัดต่อตาข้างเดียวสั้น ๆ (MD) ช่วยเพิ่มความไม่เท่าเทียมกันระหว่างอินพุตจากสองตา ดังนั้นจึงคล้ายกับการตัดแต่งกระดานหมากรุกพบว่ามีการเพิ่มการก่อตัวของกระดูกสันหลังตามแนวดิ่ง dendritic ของชั้น 5 เซลล์เสี้ยมเสี้ยมในเขตสองตาของคอร์เทกซ์สายตาของหนู อย่างไรก็ตามผลกระทบนี้ไม่พบในเซลล์ประสาท 2 / 3 หรือในเขตตาข้างเดียว (Hofer et al., 2009) อีกครั้งระบุว่าการเปลี่ยนแปลงการซิงค์ที่เฉพาะเจาะจงของประเภทเซลล์อีกครั้ง สิ่งที่น่าสนใจคือ MD ที่สองไม่สามารถเพิ่มการก่อตัวของกระดูกสันหลังได้อีก แต่การขยายของสันหลังที่เกิดขึ้นในระหว่าง MD เริ่มต้นนั้นบ่งบอกว่าหนามใหม่ที่เกิดขึ้นในช่วง MD เริ่มแรกนั้นมีการทำงานที่ถูกเปิดใช้งานในช่วง MD ที่สองHofer et al., 2009).

พลวัตทางกระดูกสันหลังระหว่างการเรียนรู้

ธรรมชาติที่มีพลังสูงของกระดูกสันหลัง dendritic ทำให้เกิดความคิดที่แพร่หลายที่ว่ากระดูกสันหลังอาจทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นโครงสร้างสำหรับการเรียนรู้และความทรงจำ มันได้รับการแนะนำว่าเงี่ยงโผล่ออกมาใหม่ (มักจะมีหัวเล็ก) รองรับหน่วยความจำในขณะที่เงี่ยงคงที่ (มักจะมีหัวขนาดใหญ่) ทำหน้าที่เป็นเว็บไซต์จัดเก็บหน่วยความจำ (บอร์นและแฮร์ริส 2007) อันที่จริง ในร่างกาย การศึกษาด้านการถ่ายภาพได้แสดงให้เห็นว่าในเยื่อหุ้มสมองสมองการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังมีความสัมพันธ์โดยตรงกับการเรียนรู้ ในคอร์เทกซ์ยนต์ของหนูการก่อตัวของกระดูกสันหลังจะเริ่มขึ้นทันทีที่สัตว์เรียนรู้งานใหม่ หลังจากการปั่นอย่างรวดเร็วนี้ความหนาแน่นของกระดูกสันหลังกลับสู่ระดับพื้นฐานผ่านการกำจัดกระดูกสันหลังที่ยกระดับ (Xu และคณะ, 2009; Yu และ Zuo, 2011) ในนกเพลงอัตราการหมุนเวียนกระดูกสันหลังสูงกว่าก่อนที่การเรียนรู้เพลงจะสัมพันธ์กับความสามารถที่มากขึ้นสำหรับการเลียนแบบเพลงที่ตามมา (Roberts et al., 2010) สำหรับหนูจำนวนของกระดูกสันหลังที่ได้รับระหว่างการเรียนรู้เริ่มต้นนั้นสัมพันธ์กับประสิทธิภาพของการเรียนรู้ของมอเตอร์Xu และคณะ, 2009); และการอยู่รอดของเงี่ยงใหม่มีความสัมพันธ์กับการเก็บรักษาทักษะยนต์ (Yang et al., 2009) นอกจากนี้ทักษะยนต์ที่แตกต่างกันมีแนวโน้มที่จะถูกเข้ารหัสโดยประชากรย่อยที่แตกต่างกันของ synapses ในเยื่อหุ้มสมองมอเตอร์ในขณะที่การเรียนรู้งานมอเตอร์ใหม่ในหนูก่อนการฝึกอบรมอย่างต่อเนื่องเพื่อกระตุ้นการหมุนเวียนที่แข็งแกร่งในเยื่อหุ้มสมองมอเตอร์ผู้ใหญ่Xu และคณะ, 2009) เมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าระดับกลูโคคอร์ติคอรอยด์ส่งผลต่อการเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลัง หนูฝึกที่ยอด glucocorticoid ส่งผลให้อัตราการก่อตัวของกระดูกสันหลังสูงขึ้นในขณะที่ราง glucocorticoid หลังการฝึกอบรมมีความจำเป็นสำหรับการทำให้กระดูกสันหลังเกิดขึ้นในระหว่างการฝึกและการเก็บรักษาความจำระยะยาว (Liston และคณะ, 2013) ติดยาเสพติดซึ่งได้รับการพิจารณาว่าเป็นการเรียนรู้ทางพยาธิวิทยา (Hyman, 2005) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงเวลาที่คล้ายกันในการเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลังเช่นเดียวกับการเรียนรู้ยนต์ การใช้กระบวนทัศน์การตั้งค่าตามโคเคนในสถานที่การศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายภาพเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าการได้รับโคเคนเริ่มต้นนั้นทำให้เกิดการสร้างกระดูกสันหลังในเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าและปริมาณของกระดูกสันหลังใหม่ที่สัมพันธ์กันMunoz-Cuevas et al., 2013) น่าสนใจยิ่งกว่าการเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลังในภูมิภาคเยื่อหุ้มสมองที่แตกต่างกันอาจแตกต่างกันในระหว่างงานเดียวกัน ตัวอย่างเช่นกระบวนทัศน์การปรับความกลัวที่จับคู่การได้ยินกับการกระแทกของเท้าได้แสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่ตรงกันข้ามในการได้ยินและเยื่อหุ้มสมองด้านหน้า ในเยื่อหุ้มสมองหูพบว่าการก่อตัวของกระดูกสันหลังที่เพิ่มขึ้นนั้นมีความสัมพันธ์กับการปรับความกลัวแบบจับคู่Moczulska et al., 2013) ในเยื่อหุ้มสมองด้านหน้าสมาคมการกำจัดกระดูกสันหลังที่เพิ่มขึ้นพบว่ามีความเกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ในขณะที่การก่อกระดูกสันหลังมีความสัมพันธ์กับการสูญเสียความกลัวและการกำจัดปรับกระดูกสันหลังเกิดขึ้นในช่วงการสูญพันธุ์ (Lai et al., 2012) เมื่อนำมารวมกันการศึกษาเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของกฎทางโลกที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังที่เกิดจากการเรียนรู้ กระดูกสันหลังไม่ว่าจะเกิดขึ้นหรือถูกลบออกในระหว่างการเรียนรู้ขึ้นอยู่กับกระบวนทัศน์เชิงพฤติกรรมเช่นเดียวกับวงจรประสาทและประเภทเซลล์ที่เฉพาะเจาะจงที่เข้าร่วมในกระบวนการเรียนรู้

มันเป็นที่น่าสังเกตว่าตัวอย่างทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้นอ้างถึงหน่วยความจำที่ไม่ได้ประกาศซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับความทรงจำที่มีสติของเวลาสถานที่และประสบการณ์ฉาก (เช่นหน่วยความจำที่ประกาศ) การสำรวจของ ในร่างกาย การเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังที่เกี่ยวข้องกับความทรงจำที่พิสูจน์ได้พิสูจน์แล้วว่ามีความท้าทายมากขึ้น ในอีกด้านหนึ่งฮิบโปแคมปัสซึ่งเป็นโครงสร้างที่สำคัญสำหรับการสร้างหน่วยความจำที่เปิดเผยถูกฝังอยู่ใต้เยื่อหุ้มสมองและเกินขอบเขตของกล้องจุลทรรศน์สองโฟตอนมาตรฐาน ในทางตรงกันข้ามเชื่อว่าหน่วยความจำที่เปิดเผยจะถูกเก็บไว้ในเครือข่ายนีโอคอร์ติคัลขนาดใหญ่ทำให้ยากต่อการถ่ายภาพเป้าหมาย ดังนั้นความก้าวหน้าของเทคนิคการถ่ายภาพสมองส่วนลึก (เช่น microendoscopy, adaptive optics) พร้อมกับความเข้าใจที่ดีขึ้นของการจัดสรรหน่วยความจำในเยื่อหุ้มสมองถือเป็นกุญแจสำคัญในการตรวจสอบอนาคตของการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลัง

แบบไดนามิกของกระดูกสันหลังในโรค

การเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นกระดูกสันหลัง dendritic ได้รับการสังเกตในโรคทางระบบประสาทและ neuropsychiatric ต่างๆ ความผิดปกติแต่ละครั้งจะนำเสนอด้วยความผิดปกติของตราของตัวเองในการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังซึ่งยืนยันความคิดที่ว่ากระดูกสันหลังเป็นโครงสร้างหนุนสำหรับการทำงานขององค์ความรู้ที่เหมาะสม มีฉันทามติเพิ่มขึ้นว่าความผิดปกติของกระดูกสันหลังมีความเกี่ยวข้องกับการขาดพฤติกรรมและการลดลงของฟังก์ชั่นความรู้ความเข้าใจ (เพื่อดูรายละเอียด Fiala et al., 2002; Penzes et al., 2011).

ในแบบจำลองโรคหลอดเลือดสมองแสดงให้เห็นว่าการขาดเลือดอย่างรุนแรงนำไปสู่การสูญเสียกระดูกสันหลังอย่างรวดเร็วซึ่งสามารถย้อนกลับได้หลังจากการทำซ้ำหากการช่วยเหลือดำเนินการภายในระยะเวลาอันสั้น (20 – 60 min; จางและคณะ, 2005) ตามจังหวะการก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดต่อไปเพิ่มขึ้นในภูมิภาค peri-infarct แต่ไม่ได้อยู่ในภูมิภาคเยื่อหุ้มสมองอยู่ห่างจากหัวใจวายหรือในซีกโลก contralateral (Brown และคณะ, 2009; Johnston และคณะ, 2013) พลาสติกที่ได้รับบาดเจ็บนี้เกิดขึ้นถึงจุดสูงสุดที่ 1 หลังการผ่าตัดสัปดาห์ จากนั้นอัตราการก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดลดลงอย่างต่อเนื่อง ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นถึงการดำรงอยู่ของช่วงเวลาที่สำคัญในช่วงที่เนื้อเยื่อเปลือกนอก peri-infarct ที่ยังมีชีวิตรอดที่สุดจะตอบสนองต่อการแทรกแซงการรักษา (Brown และคณะ, 2007, 2009) ในแบบจำลองเมาส์สำหรับอาการปวดเรื้อรัง ligation เส้นประสาทบางส่วนเพิ่มการสร้างกระดูกสันหลังและการกำจัด เช่นเดียวกับแบบจำลองโรคหลอดเลือดสมองอัตราการก่อตัวของกระดูกสันหลังสูงกว่าการกำจัดทำให้เกิดความหนาแน่นของกระดูกสันหลังเพิ่มขึ้นในเบื้องต้นตามด้วยการลดลงของมัน ผลดังกล่าวอาจถูกยกเลิกโดยการปิดล้อมของ tetrodotoxin ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงกระดูกสันหลังหลังการผ่าตัดนั้นขึ้นกับกิจกรรม (Kim และ Nabekura, 2011).

การเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังยังได้รับการรายงานในรูปแบบสัตว์ของโรคความเสื่อม ตัวอย่างเช่นการสูญเสียกระดูกสันหลังจะถูกเร่งในบริเวณใกล้เคียงของโล่β-amyloid ในเยื่อหุ้มสมองสมอง (ไจ่และคณะ 2004; Spires และคณะ, 2005) ในรูปแบบสัตว์ของอัตราการก่อตัวของโรคฮันติงตันเพิ่มขึ้น แต่หนามที่สร้างขึ้นใหม่ไม่ได้รวมอยู่ในวงจรท้องถิ่นซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของกระดูกสันหลังลดลง (Murmu et al., 2013) ในขณะที่โรคเกี่ยวกับระบบประสาทมักจะเกี่ยวข้องกับการสูญเสียกระดูกสันหลังสุทธิความผิดปกติของระบบประสาทพัฒนาการแสดงฟีโนไทป์กระดูกสันหลังที่หลากหลาย ในรูปแบบของเมาส์ Fragile X ซินโดรมมีหนามจำนวนมากและเปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของพวกมันยังไม่โตเต็มที่เมื่อตรวจเนื้อเยื่อที่ตายแล้ว (Comery และคณะ, 1997; เออร์วินและอัล 2000). ในร่างกาย การศึกษาเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าในสัตว์ดังกล่าวมูลค่าการซื้อขายกระดูกสันหลังเพิ่มขึ้นในพื้นที่เยื่อหุ้มสมองต่างๆ (Cruz-Martin และคณะ, 2010; Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013) และทั้งการตัดหนวดและการเรียนรู้ยนต์ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลัง (Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013) ในหนูที่แสดงออก MECP2 ซึ่งเป็นยีนที่เกี่ยวข้องกับ Rett ซินโดรมก็พบว่าทั้งกำไรกระดูกสันหลังและการสูญเสียเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามหนามใหม่นั้นมีความเสี่ยงที่จะถูกกำจัดมากกว่าในหนูชนิดป่าส่งผลให้กระดูกสันหลังสูญเสียสุทธิ (เจียงและคณะ, 2013).

การมีส่วนร่วมอย่างต่อเนื่องของพลวัตกระดูกสันหลัง

ระบบประสาทประกอบด้วยเซลล์สองชั้น: เซลล์ประสาทและ Glia บทบาทที่น่าสนใจที่สุดของเซลล์ glial คือการมีส่วนร่วมในการทำงานของ synaptic และการเปลี่ยนแปลง เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการศึกษาที่น่าตื่นเต้นไม่กี่บทที่สำรวจบทบาทของการส่งสัญญาณ glial ในการเจริญเติบโตของกระดูกสันหลังและปั้น ตัวอย่างเช่นการปิดกั้นการดูดซึมของ astrocytic กลูตาเมตได้รับการแสดงเพื่อเร่งการกำจัดกระดูกสันหลังขึ้นอยู่กับประสบการณ์ในระหว่างการพัฒนาวัยรุ่น (Yu และคณะ, 2013) อีกประเภทหนึ่งของเซลล์ glial, microglia ก็พบว่ามีการสัมผัสใกล้ชิดกับกระดูกสันหลัง dendritic การเคลื่อนไหวของกระบวนการทางจุลชีววิทยาและการสัมผัสกับกระดูกสันหลังนั้นควบคุมโดยประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสและเกี่ยวข้องกับการกำจัดกระดูกสันหลัง (Tremblay และคณะ 2010) นอกจากนี้การลดลงของ microglia ส่งผลให้เกิดการลดลงอย่างมีนัยสำคัญของการเรียนรู้มอเตอร์เหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวของกระดูกสันหลังและการกำจัดการเลือกปัจจัย neurotrophic สมองมาจาก (BDNF) ใน microglia recapitulated ผลของการพร่อง microglial (Parkhurst และคณะ, 2013).

การแสดงออกเชิงพื้นที่ของพลวัตกระดูกสันหลัง

การถ่ายภาพโครงสร้างของกระดูกสันหลังได้ชี้ให้เห็นว่าการปรากฏตัวและการหายตัวไปของกระดูกสันหลังนั้นไม่เหมือนกันหรือสุ่มไปตาม dendrites แต่เกิดขึ้นที่ "ฮอตสปอต" ในเชิงพื้นที่ในเชิงเลือกของเมาส์ในคอร์เทกซ์ยนต์ มักจะเป็นกลุ่ม นอกจากนี้การเพิ่มของกระดูกสันหลังใหม่ที่สองในคลัสเตอร์มักจะเกี่ยวข้องกับการขยายของกระดูกสันหลังใหม่ครั้งแรก ในทางกลับกันกระดูกสันหลังที่เกิดขึ้นระหว่างการสั่งงานมอเตอร์หลายตัวหรือระหว่างการตกแต่งมอเตอร์ไม่รวมกลุ่ม (Fu et al., 2012) เมื่อนำมารวมกันการสังเกตเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการเปิดใช้งานกระดูกสันหลังใหม่ครั้งแรกซ้ำแล้วซ้ำอีกเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเกิดขึ้นของกระดูกสันหลังใหม่อันที่สอง การเลือกเชิงพื้นที่ที่คล้ายกันของการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังได้รับการสังเกตในกระบวนทัศน์การปรับสภาพความกลัว: กระดูกสันหลังที่ถูกกำจัดในระหว่างการปรับความกลัวมักจะถูกแทนที่ด้วยกระดูกสันหลังในบริเวณใกล้เคียง (ภายใน 2 μm) ในระหว่างการสูญพันธุ์Lai et al., 2012) ที่น่าสนใจคือการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังยังได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของการยับยั้งประสาท การกีดกันตาข้างเดียวอย่างมีนัยสำคัญเพิ่มการเปลี่ยนแปลงการประสานงานของกระดูกสันหลังและยับยั้ง synapses บริเวณใกล้เคียงในชั้น 2 / 3 เซลล์เสี้ยมเสี้ยมเฉินและคณะ, 2012) การค้นพบเหล่านี้สนับสนุนรูปแบบพลาสติกแบบคลัสเตอร์ซึ่งยืนยันว่าการรวมกลุ่มแบบกลุ่มมีแนวโน้มที่จะมีส่วนร่วมในการเข้ารหัสข้อมูลเดียวกันมากกว่าการแยกแบบกลุ่มแบบแยกย้ายกันไปทั่วอาร์เบอร์ dendritic (Govindarajan และคณะ, 2006).

รวม ในร่างกาย การบันทึกแพทช์ทั้งเซลล์และการถ่ายภาพกระดูกสันหลังแคลเซียมเดี่ยวผลงานล่าสุดได้แสดงให้เห็นว่าเงี่ยงปรับสำหรับความถี่สูงสุดที่แตกต่างกันจะกระจายไปตาม dendrites ของเซลล์ประสาทเสี้ยมแบบเสี้ยมในเยื่อหุ้มสมองหูหนู (เฉินและคณะ, 2011) การค้นพบนี้ทำให้เกิดคำถามที่น่าสนใจ: สันครีบใหม่ที่เป็นคลัสเตอร์นั้นสอดคล้องกับอินพุตที่มีลักษณะคล้ายหรือแตกต่างกัน (เช่นรูปแบบกิจกรรมคุณสมบัติการปรับแต่ง)? เพื่อที่จะตอบคำถามนี้มันจำเป็นที่จะต้องสุ่มตัวอย่างเหนือพื้นที่กว้างของ dendritic อาร์เบอร์ระบุ“ ฮอตสปอต” ของการเปลี่ยนแปลงกระดูกสันหลังและรวมการถ่ายภาพโครงสร้างของกระดูกสันหลังกับเรียลไทม์การถ่ายภาพการทำงาน การทดลองดังกล่าวจะไม่เพียง แต่ช่วยอธิบายกลไกของเซลล์ในการเปลี่ยนแปลงกระดูกสันหลังขึ้นอยู่กับกิจกรรม แต่ยังให้เบาะแสการแสดงข้อมูลและการจัดเก็บในเซลล์ประสาท

ทิศทางในอนาคต

ในบทความนี้เราได้ตรวจสอบการสอบสวนล่าสุดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลัง dendritic ในสมองที่มีชีวิต แม้ว่าการศึกษาเหล่านี้จะทำให้เราเข้าใจอย่างชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังเปลี่ยนแปลงทั้งทางโลกและทางอวกาศ แต่คำถามจำนวนมากยังคงอยู่ในหลาย ๆ ด้าน ตัวอย่างเช่นมีเครื่องหมายโมเลกุลที่แยกความแตกต่างของกระดูกสันหลังจากกระดูกสันหลังที่เกิดขึ้นใหม่และหนามจะถูกกำจัด? จำนวนกระดูกสันหลังทั้งหมดได้รับการดูแลรักษาผ่านกลไกแบบ homeostatic เพื่อให้ dendrite สามารถรักษาความต้องการเมแทบอลิซึมของการส่งผ่าน synaptic ได้หรือไม่? การรวมกลุ่มของครีบใหม่สะท้อนให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงในความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อที่มีอยู่กับซอนเดียวกัน (ในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างเครือข่ายเดียวกัน) หรือมันบ่งบอกถึงการจัดตั้งการเชื่อมต่อเพิ่มเติมกับซอนที่ไม่เชื่อมต่อ เป็นที่น่าสังเกตว่างานทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้นได้มุ่งเน้นไปที่ด้านโพสต์ซินแน็ปทิคซึ่งเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของเรื่องราว ปัจจัยสำคัญอื่น ๆ ของการกระจายและการเปลี่ยนแปลงของกระดูกสันหลังอยู่ที่ด้าน presynaptic: ตัวตนและรูปทรงเรขาคณิตของซอน presynaptic และความพร้อมของ axonal boutons การรู้ข้อมูล presynaptic ดังกล่าวมีความสำคัญในการแก้ไขคำถามมากมายที่เกิดขึ้นจากการสังเกตของการเคลื่อนไหวของกระดูกสันหลัง อย่างไรก็ตามการระบุตัวตนของ presynaptic partner ของกระดูกสันหลัง dendritic ที่ถ่ายภาพยังคงเป็นความท้าทายทางเทคนิคเนื่องจาก axon presynaptic อาจเกิดขึ้นจากแหล่งที่มามากมายและมักจะถูกรวมเข้ากับกระบวนการ axonal อื่น ๆ อีกมากมาย นอกจากนี้ยังมีอีกมากที่จะต้องเรียนรู้เกี่ยวกับลำดับของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดขึ้นที่ไซต์การติดต่อระหว่าง axonal bouton และกระดูกสันหลังและวิธีการเรียงลำดับดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการก่อตัวและการกำจัด synapses การถ่ายภาพพร้อมกันของ axonal boutons และการเป็นหุ้นส่วนของพวกเขาในบริบทของการจัดการพฤติกรรมจะให้ข้อมูลมากมายที่จะตอบคำถามนี้ การตรวจสอบย้อนหลัง ultrastructural เช่นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Knott และคณะ, 2009) และ Tomography Array (Micheva and Smith, 2007; Micheva et al., 2010) อาจเติมเต็ม ในร่างกาย การถ่ายภาพเพื่อตรวจสอบการปรากฏตัวของ synapses และเผยให้เห็นลายนิ้วมือโมเลกุลของโครงสร้างการถ่ายภาพ

ลำดับเวลาตามลำดับเวลาและการจัดเรียงแบบเลือกเชิงพื้นที่ของการเชื่อมต่อของเส้นประสาทและการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีส่วนร่วมในการปรับเปลี่ยนพฤติกรรมเป็นผลมาจากประสบการณ์เป็นหนึ่งในคำถามพื้นฐานในระบบประสาท ความก้าวหน้าในเทคนิคการถ่ายภาพร่วมกับการพัฒนา electrophysiology พันธุศาสตร์ระดับโมเลกุลและ optogenetics จะช่วยเปิดเผยพิมพ์เขียวของวงจรประสาทในระดับกล้องจุลทรรศน์เช่นเดียวกับกลไกของการเข้ารหัสข้อมูลการรวมและการเก็บรักษาในสมอง

ผู้มีส่วนร่วม

Chia-Chien Chen ทำรูป Chia-Chien Chen, Ju Lu และ Yi Zuo เขียนต้นฉบับ

คำชี้แจงความขัดแย้งทางผลประโยชน์

ผู้เขียนประกาศว่าการวิจัยได้ดำเนินการในกรณีที่ไม่มีความสัมพันธ์ทางการค้าหรือทางการเงินใด ๆ ที่อาจตีความได้ว่าเป็นความขัดแย้งทางผลประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้น

กิตติกรรมประกาศ

ข้อมูลอ้างอิง