Просторово-часова динаміка дендритних шипів у живому мозку (2014)

Дендритні шипи є повсюдними постсинаптичними ділянками більшості збуджуючих синапсів у мозку ссавців і, таким чином, можуть служити структурними показниками функціональних синапсів. Останні роботи показали, що нейрональне кодування спогадів може бути пов'язане з швидкими змінами у формуванні та елімінації хребта. Технологічні досягнення дозволили дослідникам вивчати динаміку хребта в природних умовах під час розвитку, а також при різних фізіологічних і патологічних станах. Ми вважаємо, що краще розуміння просторово-часових закономірностей динаміки хребта допоможе з'ясувати принципи, залежні від модифікації схеми, що залежить від досвіду, та обробки інформації в живому мозку.

ВСТУП

Дендритні шипи зачаровували покоління неврологів з моменту їхнього початкового опису Сантьяго Рамона й Каджаля більше століття тому (Ramon y Cajal, 1888). Ці ніжні виступи виходять із дендритного стовбура і нагадують «щетинисті колючки або короткі колючки», як це яскраво описав Кахал. Вони є постсинаптичними ділянками переважної більшості (> 90%) збудливих глутаматергічних синапсів мозку ссавців і містять необхідні молекулярні компоненти для постсинаптичної сигналізації та пластичності. Отже, колючки та їх структурна динаміка можуть служити показником синаптичної зв’язаності та їх модифікацій (Сегал, 2005; Тада і Шен, 2006; Хармс і Дунаєвський, 2007).

Більшість ранніх досліджень дендритного відділу хребта досліджували фіксовану нервову тканину за допомогою світлової або електронної мікроскопії (Lund et al., 1977; Woolley et al., 1990; Харріс і Катер, 1994; Херінг і Шен, 2001; Lippman і Dunaevsky, 2005). Незважаючи на те, що вони надавали фундаментальну інформацію про морфологію і розподіл хребта, ці фіксовані обстеження тканин лише фіксували статичні «знімки» шипів. Впровадження флуоресцентних методів мічення і багатофотонної мікроскопії зробили революцію в цій галузі. У 2002 - новаторська робота двох лабораторій (Grutzendler et al., 2002; Trachtenberg et al., 2002) продемонстрували можливість відстеження того ж самого хребта у живому мозку протягом тривалого періоду часу (тобто тижнів) часу. В принципі, динаміка хребта являє собою динаміку синапсу. У той час як стійкі шипи переважно являють собою синаптичні контакти, лише невелика частина короткочасних шипів представляють короткоживучі синаптичні контакти, а решта представляють невдалу синаптогенез (Trachtenberg et al., 2002; Knott et al., 2006; Cane et al., 2014). З таких тимчасових досліджень з'явилася динамічна картина колючок: хребти утворюють, збільшуються, стискаються і втягуються протягом усього життя тварини. Крім того, їх морфологія та динаміка відрізняються між різними типами нейронів, на стадіях розвитку і у відповідь на такі відчуття, як сенсорне стимулювання та депривація, збагачення навколишнього середовища та різні парадигми навчання (Holtmaat і Svoboda, 2009; Фу і Zuo, 2011).

Цей огляд фокусується на результатах від в природних умовах дослідження зображень. У характеристиці динаміки хребта дослідники в основному розглядали два аспекти: загальні зміни щільності хребта і специфічне місце розташування вздовж дендриту, де відбувається утворення та елімінація хребта. Хоча щільність хребта забезпечує приблизну оцінку загальної кількості збуджуючих синапсів на постсинаптичний нейрон, розташування хребта впливає на внесок його синаптично переданих електричних і хімічних сигналів на інтегрований відповідь на сому (Nevian et al., 2007; Spruston, 2008). Розуміння того, як динаміка хребта корелює з анатомічними та фізіологічними особливостями конкретних нейронних ланцюгів у різних поведінкових контекстах, є вирішальною для з'ясування механізмів обробки та зберігання інформації в мозку.

ДИНАМІКА ХВОРИХ ПРИ РОЗВИТКУ

Щільність хребта істотно змінюється в різних популяціях нейронів, що, ймовірно, відображає різноманітність морфології і функції нейронів (Nimchinsky et al., 2002; Ballesteros-Yanez et al., 2006). Баланс між утворенням і ліквідацією хребта визначає зміну щільності хребта: надлишок утворення хребта над ліквідацією вздовж дендритного сегмента збільшує щільність хребта на ньому, і навпаки. У корі головного мозку, в той час як дендритні гілки в основному стабільні з часом (Trachtenberg et al., 2002; Мізрахі і Кац, 2003; Chow et al., 2009; Мостани і Портера-Кайльо, 2011; Schubert et al., 2013), шипи постійно формуються і усуваються. Швидкість утворення хребта та ліквідація змінюються з часом, що призводить до немонотонної зміни щільності хребта (Рисунок Малюнок11). Наприклад, шипи на апікальних дендритах шарів 2 / 3 пірамідних нейронів в корі головного мозку гризунів демонструють поступово зменшується рухливість (подовження і скорочення шипів) і швидкість обороту (визначається як загальна сума виграшів і втрат шипів) між постнатальним днем ​​7 і 24 (P7-24; Lendvai et al., 2000; Cruz-Martin et al., 2010). Проте за цей період часу щільність хребта постійно зростає (Cruz-Martin et al., 2010). Після цієї початкової фази посилення чистого хребта, усунення хребта починає випереджати формування, що призводить до загального зниження щільності хребта (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005b; Yang et al., 2009). Між P28 і P42, 17% шипини усуваються уздовж апікальних дендритів пірамідальних нейронів шару 5 в корі головного мозку, а лише 5% нових шипів формуються за той же період часу (Zuo et al., 2005a, b). Важливо, що не всі шипи однаково сприйнятливі до усунення: ті з великими головами є більш стабільними, ніж тонкі. Оскільки розмір голови хребта корелює з синаптичною силою, це явище говорить про те, що більш сильні синапси є більш стабільними (Holtmaat et al., 2005). Крім того, новостворені шипи, швидше за все, будуть усунені, ніж раніше існуючі шипи (Xu et al., 2009), і більшість стабільних шипів, утворених до підліткового віку, залишаються включеними в нейрональну схему дорослого (Zuo et al., 2005a; Yang et al., 2009; Yu et al., 2013). Нарешті, у дорослих тварин формування хребта і елімінація досягають рівноваги; щільність хребта залишається приблизно постійною до початку старіння (Zuo et al., 2005a; Mostany et al., 2013).

 

МАЛЮНОК 1

Ремоделювання хребта на різних етапах життя тварини. Швидкий спіногенез у ранньому постнатальному періоді супроводжується поступовим обрізанням хребта в підлітковому віці. У зрілому віці формування і ліквідація хребта досягають рівноваги з невеликою часткою шипиків ...

ДИНАМІКА ХВОРИХ НА ВІДПОВІДАЛЬНІСТЬ ДО СЕНСОРНОГО ДОСВІДУ

Кора головного мозку має дивовижну здатність реорганізувати свої схеми у відповідь на досвід. Тому, як сенсорні переживання (або їх відсутність) впливають на динаміку хребта, представляє великий інтерес для неврологів. Показано, що як гострі, так і хронічні сенсорні маніпуляції впливають на динаміку хребта, але точний ефект залежить від маніпуляційної парадигми і тривалості, а також від стадії розвитку тварини. У ранньому постнатальному періоді сенсорні входи відіграють повчальну роль у стабілізації і дозріванні шипів. У корі головного мозку миші, позбавляючи візуальний вхід від народження, запобігалося зниження моторики хребта і дозрівання морфології хребта (Majewska і Sur, 2003; Tropea et al., 2010). Генетична делеція рецептора PirB імітувала ефект монокулярної депривації на моторику хребта (Djurisic et al., 2013). У мишей, які раніше були піддані зоровій депривації, дозрівання хребта, індуковане світлом, може бути частково імітовано шляхом фармакологічної активації ГАМКергічної системи, що свідчить про важливу роль інгібуючих ланцюгів у дозріванні збудливих синапсів (Tropea et al., 2010). Пізніше, сенсорний досвід керує обрізанням хребта (визначається як чиста втрата шипів). Одностороння обрізка всіх вусів у 1-місячних мишей за 4 або 14 днів значно зменшила ліквідацію хребта в корі головного мозку, але формування лівої хребта значною мірою невозможноZuo et al., 2005b; Yu et al., 2013). Фармакологічна блокада NMDA-рецепторів імітувала ефект обрізання ниткоподібного вугілля, що вказувало на участь NMDA-рецепторного шляху в такій залежній від активності елімінації хребта (Zuo et al., 2005b).

Хоча повне обрізання вусів видаляє сенсорний вхід у всьому світі, обрізання кожного іншого вуса («обрізання шахівниці»), ймовірно, підсилює будь-яку різницю в рівнях активності та структури сусідніх бочок, тим самим вводячи новий сенсорний досвід. Показано, що така парадигма сприяє обороту хребта і стабілізувати новоутворені шипи вибірково в підкласі кортикальних нейронів (Trachtenberg et al., 2002; Holtmaat et al., 2006). Нові шипи були переважно додані на пірамідальні нейрони з шаром 5 зі складними верхівковими пучками, а не з простими пучками (Holtmaat et al., 2006). У дефектних мишах αCaMKII-T286A обрізання шахівниці не вдалося збільшити стабілізацію нових стійких шипів на кордоні між заощадженими та позбавленими бочками (Wilbrecht et al., 2010). Останнім часом елегантне дослідження поєднує оптогенетическую стимуляцію і в природних умовах Візуалізація показала, що саме стійкість дендритних шипів визначає картина нейронної активності, а не величинаWyatt et al., 2012).

Подібно до обрізання шахівниці, коротке монокулярне позбавлення (MD) збільшує невідповідність між входами з двох очей. Таким чином, подібно до обрізання шахівниці, було виявлено, що MD збільшує формування хребта вздовж апікальних дендритних пучків пірамідальних нейронів шару 5 у бінокулярній зоні зони кори головного мозку миші. Однак цей ефект не спостерігався у нейронах шару 2 / 3 або в монокулярній зоні (Hofer et al., 2009), знову вказуючи на тип клітин, специфічний для реконструкції синапсів. Цікаво, що другий МД не зміг додатково збільшити формування хребта, але вибірково збільшив шипи, утворені під час початкового МД, припускаючи, що нові шипи, утворені під час початкового МД, мають функціональні синапси, які реактивировались під час другого МД (Hofer et al., 2009).

ДИНАМІЧНІСТЬ Хребта під час навчання

Дуже динамічна природа дендритних шипів викликає переважаючу думку про те, що шипи можуть служити структурним субстратом для навчання і пам'яті. Було висловлено припущення, що нещодавно виниклі шипи (як правило, з невеликими головами) лежать в основі придбання пам'яті, тоді як стабільні шипи (як правило, з великими головами) служать місцями зберігання пам'яті (Bourne і Harris, 2007). Дійсно, в природних умовах Візуальні дослідження показали, що в корі головного мозку динаміка хребта безпосередньо корелює з навчанням. У моторній корі миші формування хребта починається відразу після того, як тварина дізнається нове завдання. Після цього швидкого спіногенезу щільність хребта повертається до вихідного рівня через підвищену ліквідацію хребта (Xu et al., 2009; Ю і Zuo, 2011). У птахів з піснями встановлено, що більш високий коефіцієнт обороту хребта до підошви пісень корелює з більшою здатністю до подальшої імітації пісні (Roberts et al., 2010). У мишей кількість шипів, отриманих під час початкового навчання, тісно корелює з руховою ефективністю навчання (Xu et al., 2009); і виживання нових шипів корелює зі збереженням рухової навички (Yang et al., 2009). Крім того, різні рухові навички, ймовірно, кодуються різними субпопуляціями синапсів в моторній корі, оскільки вивчення нової рухової задачі у попередньо тренованих мишей продовжує викликати сильний оборот у дорослої моторної кори (Xu et al., 2009). Нещодавно було також встановлено, що рівень глюкокортикоїдів впливає на динаміку хребта, індуковане моторним навчанням. Підготовка мишей на глюкокортикоїдних піках призвела до більш високого рівня утворення хребта, тоді як глюкокортикоидние жолоби, що пройшли тренування, були необхідні для стабілізації шипів, утворених під час тренування, і тривалого зберігання пам'яті (Liston et al., 2013). Наркоманія, яка розглядається як патологічне навчання (Hyman, 2005), викликає подібні тимчасові зміни в динаміці хребта, як це робить моторне навчання. Використовуючи парадигму переваги кокаїнового місця, нещодавнє дослідження виявило, що початкова експозиція кокаїну сприяла формуванню хребта в лобовій корі, і що кількість нових стійких шипи корелювало з перевагою контексту кокаїну.Munoz-Cuevas et al., 2013). Більш цікаво, що динаміка хребта в різних кортикальних регіонах може змінюватись під час одного і того ж завдання. Наприклад, парадигма кондиціонування страху, яка з'єднує слухові сигнали з шоком стопи, продемонструвала протилежні ефекти в слуховій і фронтальній корі. В слуховій корі було виявлено, що посилення утворення хребта корелювало з парним кондиціонуванням страху, а непарне кондиціювання було пов'язано з підвищеною елімінацією шипів (Moczulska et al., 2013). У корі лобової асоціації було виявлено, що посилення ліквідації хребта пов'язане з навчанням, у той час як формування хребта пов'язане зі знищенням страху, а відновлення усунених шипів, утворених під час вимирання (Lai et al., 2012). У сукупності ці дослідження показують різноманітність тимчасових правил, що лежать в основі динаміки хребта, обумовленого навчанням. Чи формуються або видаляються шипи під час навчання, залежить від поведінкової парадигми, а також конкретної нейрональної схеми та типів клітин, що беруть участь у процесі навчання.

Варто відзначити, що всі розглянуті вище приклади стосуються недекларативної пам'яті, яка не передбачає свідомого спогаду про конкретний час, місце розташування та епізодичний досвід (тобто декларативну пам'ять). Дослідження в природних умовах Динаміка хребта, пов'язана з декларативною пам'яттю, виявляється набагато складнішою. З одного боку, гіпокамп, структура, важлива для формування декларативної пам'яті, похована під корою і за межами досяжності стандартної двофотонної мікроскопії. З іншого боку, вважається, що декларативна пам'ять дифузно зберігається у великих неокортикальних мережах, що ускладнює цільове зображення. Тому просування глибоких методів візуалізації мозку (наприклад, мікроендоскопії, адаптивної оптики) разом з кращим розумінням розподілу пам'яті в корі є ключем до майбутнього дослідження динаміки хребта, що лежить в основі декларативної пам'яті.

ДИНАМІКА ХВОРИХ У ХВОРОБАХ

Зміни в дендритних щільностях хребта спостерігалися при різних неврологічних і нейропсихіатричних захворюваннях. Кожен розлад має свої відмінні відхилення в динаміці хребта, що ще більше підтверджує думку про те, що шипи є структурною основою для належного когнітивного функціонування. Існує зростаюча думка, що аномалія хребта пов'язана з дефіцитом поведінки і зниженням когнітивних функцій (детально Fiala et al., 2002; Penzes et al., 2011).

У моделях інсульту показано, що виражена ішемія призводить до швидкої втрати хребта, що є оборотною після реперфузії, якщо порятунок виконується протягом короткого періоду часу (20 – 60 min; Zhang et al., 2005). Після інсульту, утворення хребта і подальше зниження його кількості в пери-інфарктній області, але не в кортикальних територіях, віддалених від інфаркту або в контралатеральній півкулі (Brown et al., 2009; Johnston et al., 2013). Ця індукована травмою пластичність досягає свого піку в 1 тиждень після інсульту; з цього моменту швидкість формування хребта і усунення неухильно знижується. Це явище свідчить про наявність критичного періоду, протягом якого вижили пери-інфаркти кортикальних тканин найбільш схильні до терапевтичних втручань (Brown et al., 2007, 2009). У моделі миші для хронічного болю, часткового перев'язування сідничного нерва збільшується формування і елімінація хребта. Подібно до моделі інсульту, підвищення швидкості формування хребта передує елімінації, що призводить до початкового збільшення щільності хребта з подальшим його зменшенням. Такі ефекти можуть бути скасовані блокадою тетродотоксину, що вказує на те, що ремоделювання хребта після ураження залежить від активності (Кім і Набекура, 2011).

Змінена динаміка хребта також повідомляється у моделях дегенеративних захворювань на тваринах. Наприклад, втрата хребта прискорюється в околі β-амілоїдних бляшок у корі головного мозку (Tsai et al., 2004; Spires et al., 2005). У тваринній моделі хвороби Хантінгтона зростає швидкість формування хребта, але новоутворені шипи не зберігаються, щоб бути включеними в локальну схему, що призводить до чистого зменшення щільності хребта (Murmu et al., 2013). У той час як нейродегенеративні захворювання, як правило, пов'язані з чистою втратою хребта, нервово-розвиваючі розлади проявляють різноманітні фенотипи хребта. У мишачій моделі синдрому "крихкого X" шипи більш численні, і більш високий відсоток з них виявляється незрілим при огляді дорослих фіксованих тканин (Comery et al., 1997; Irwin et al., 2000). В природних умовах Далі дослідження показали, що у таких тварин оборот хребта збільшується в різних кортикальних зонах (Cruz-Martin et al., 2010; Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013), і ні обрізання вусів, ні моторне навчання не могли б змінити динаміку хребта (Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013). У мишей, які переэкспрессировали MECP2, ген, що відноситься до синдрому Ретта, було встановлено, що як збільшення поглинання, так і втрати на хребті підвищені. Однак нові шипи більш уразливі до елімінації, ніж у мишей дикого типу, що призводить до чистої втрати шипів (Jiang et al., 2013).

ГЛІАЛЬНИЙ ВНЕСОК ДИНАМІКИ Хребта

Нервова система складається з двох класів клітин: нейронів і глії. Найбільш інтригуючою роллю гліальних клітин є їхня участь у синаптичному функціонуванні та динаміці. Останнім часом кілька цікавих досліджень досліджували роль гліальної сигналізації в дозріванні хребта і пластичності. Наприклад, було показано, що блокада поглинання астроцитарного глутамату прискорює усунення від хребта, що залежить від досвіду під час розвитку підлітків (Yu et al., 2013). Інший тип гліальних клітин, мікроглії, також виявилися в тісному контакті з дендритними шипами. Моторика мікрогліальних процесів і контакту хребта активно регулюються сенсорним досвідом і беруть участь у ліквідації хребта (Tremblay et al., 2010). Крім того, виснаження мікроглії призвело до значного зниження утворення мозку, обумовленого моторним навчанням, і селективне видалення нейротрофічного фактора (BDNF), отриманого з головного мозку, у мікроглії, рекапітували ефекти виснаження мікроглії (Parkhurst et al., 2013).

ПРОСТОРОВІ ПРОЯВИ ДИНАМІКИ Хребта

Структурна візуалізація шипів передбачає, що виникнення і зникнення шипи не є однорідними, а випадковими по дендритах, а виникають у просторових «гарячих точках». схильні до скупчення. Крім того, додавання другого нового хребта в скупчення часто пов'язане з розширенням першої нової хребта. Навпаки, шипи, утворені під час тандемного виконання різних моторних завдань або під час збагачення двигуна, не кластеруються (Fu et al., 2012). Взяті разом, ці спостереження дозволяють припустити, що повторна активація першого нового хребта необхідна для кластерного виникнення другого нового хребта. Аналогічна просторова селективність динаміки хребта спостерігається в парадигмі кондиціонування страху: хребет усувається під час підготовки страху, зазвичай замінюється хребтом в його околиці (в межах 2 мкм) при вимиранні страху (Lai et al., 2012). Цікаво, що на динаміку хребта впливає також динаміка гальмівних синапсів. Монокулярна депривація значно підвищує узгоджену динаміку шипів і гальмівних синапсів поблизу пірамідальних нейронів шару 2 / 3 (Chen et al., 2012). Ці висновки підтримують модель кластерної пластики, яка постулює, що кластерні синапси частіше беруть участь у кодуванні тієї ж інформації, ніж синапси, розсіяні по дендритній альтанці (Govindarajan et al., 2006).

Об'єднання в природних умовах Записування на всі клітини і рентгенографію одного хребта, недавні роботи показали, що шипи, налаштовані на різні пікові частоти, перемежовуються вздовж дендритів пірамідних нейронів у слуховій корі миші (Chen et al., 2011). Цей висновок викликає цікаве питання: чи кластерні нові шипи відповідають входам з подібними або різними характеристиками (наприклад, шаблони активності, властивості налаштування)? Для того, щоб вирішити це питання, необхідно буде відібрати шипи на широкій ділянці дендритної альтанки, визначити «гарячі точки» ремоделювання хребта і поєднати структурну візуалізацію шипів з функціональною візуалізацією в режимі реального часу. Такі експерименти допоможуть не тільки роз'яснити клітинні механізми, що залежать від активності хребта, але й надають інформацію про уявлення та зберігання інформації в нейронах.

МАЙБУТНІ НАПРЯМКИ

У цій статті ми розглянули останні дослідження динаміки дендритних шипів у живому мозку. Хоча ці дослідження значно розширили наше розуміння того, як динаміка хребта змінюється тимчасово і просторово, багато питань залишаються на різних фронтах. Наприклад, чи існують молекулярні маркери, які відрізняють стійкі шипи від новостворених шипів і шипів, які потрібно усунути? Чи загальна кількість шипи підтримується за допомогою гомеостатичного механізму, так що дендрит може підтримувати метаболічну потребу синаптичної передачі? Чи є кластеризація нових шипів відображенням змін міцності існуючих з'єднань з одним і тим самим аксоном (при збереженні тієї ж топології мережі), чи це вказує на встановлення додаткових з'єднань з раніше не пов'язаними аксонами поблизу? Варто зауважити, що всі обговорювані вище роботи зосереджені на постсинаптичній стороні, що становить лише половину оповідання. Іншою важливою детермінантою розподілу та динаміки хребта є пресинаптична сторона: ідентичність і геометрія пресинаптичних аксонів і наявність аксональних бутонів. Знання такої пресинаптичної інформації має вирішальне значення у вирішенні багатьох питань, що виникають із спостережень динаміки хребта. Однак ідентифікація пресинаптичного партнера зображеного дендритного хребта залишається технічною проблемою, оскільки пресинаптичний аксон може походити з безлічі джерел і, як правило, змішується з багатьма іншими аксональними процесами. Крім того, багато чого ще треба дізнатися про послідовність структурного ремоделювання, що відбувається на місці контакту між аксональним бутоном і хребтом, і як така послідовність асоціюється з утворенням і усуненням синапсів. Одночасне візуалізація аксональних бутонів та їх партнерських шипів у контексті поведінкових маніпуляцій надасть велику інформацію для вирішення цього питання. Ретроспективні ультраструктурні дослідження, такі як електронна мікроскопія (Knott et al., 2009) і масивна томографія (Micheva і Smith, 2007; Micheva et al., 2010) може також доповнювати в природних умовах зображень для перевірки наявності синапсів і виявлення молекулярних відбитків зображених структур.

Часова послідовність і просторово-селективні перестановки нейрональних зв'язків, і те, як ці зміни колективно сприяють змінам поведінки в результаті досвіду, є одним з фундаментальних питань у неврології. Розвиток методів візуалізації, разом з розвитком електрофізіології, молекулярної генетики та оптогенетики, допоможе розкрити план нейрональних схем на мікроскопічному рівні, а також механізми кодування інформації, інтеграції та зберігання в мозку.

ВНЕСЕННЯ АВТОРІВ

Чіа-Чінь Чен зробив фігуру. Chia-Chien Chen, Ju Lu та Yi Zuo написали рукопис.

Заява про конфлікт інтересів

Автори заявляють, що дослідження проводилося за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які могли б бути витлумачені як потенційний конфлікт інтересів.

Подяки

Посилання