Цитоскелетная теория в психиатрии

00 лет спустя, понимание электрической функции дендритных шипиков (dendritic spines).

Сайт научных новостей Science Daily, 5 декабря 2012.

Наименее изученный орган человеческого тела – его мозг, огромная сеть электрически возбудимых нейронов, сообщающихся между собой посредствам рецепторов на концах их напоминающих деревья дендритов (dendrites). Каким-то образом, работая сообща, эти клетки дают человеку такие возможности как память и способность к обучению. Но как это происходит?

Ученые знают, что дендритные шипики играют жизненно важную роль. Эти крохотные мембранные образования выступают из дендритных ветвей; распространенные по всему дендритному дереву, шипики одного нейрона принимают сигналы от приблизительно 1000 других. Но спустя более чем сто лет с момента их открытия, их функции изучены лишь отчасти.

Исследователь из Северо-Западного университета, работающий совместно с учеными исследовательского центра Janelia Farm при медицинском институте Говарда Хьюгса (МИГХ) привнес недавно важный вклад в решение головоломки под названием «как нейроны общаются друг с другом?» Исследователи показали, что шипики выполняют функцию электрических отсеков нейрона, изолируя и усиливая электрические сигналы, получаемые в синапсах (synapses), местах, где нейроны контактируют друг с другом.

Ключом к этому открытию послужили результаты инновационных экспериментов исследовательского центра Janelia Farm и компьютерные симуляции, проведенные в Северо-Западном университете, которые позволяют измерять уровень электрических реакций на шипиках дендритов.

«Это исследование подтверждает, что дендритные шипики обрабатывают и отвечают на синаптические сигналы не только химическим способом, но и электрическим», — говорит Вильям Кэс (William Kath), профессор инженерных наук и прикладной математики в инженерном институте Маккорника (McCornic School of Engineering) Северо-Западного университета, также профессор нейробиологии в Вейнбергском колледже искусств и науки и один из авторов работы.

Дендритные шипики бывают разной формы, но обычно состоят из грушевидной головки расположенной на конце тонкой трубки или шейки. Каждая головка имеет один или более синапсов и располагается в непосредственной близости к аксону, идущему от другого нейрона.

Ученые выяснили химические свойства дендритных шипиков: рецепторы на их поверхности реагируют на ряд нейротрансмиттеров (neurotransmitters), таких как глутамат и глицин, высвобождаемых другими нейронами. Но из-за невероятно маленьких размеров шипиков (приблизительно 1/100 диаметра волоса человечка) изучать их электрические свойства было труднее.

В этом исследовании, ученые исследовательского центра Janelia Farm МИГХ использовали три экспериментальных способа для получения доступа к электрическим свойствам дендритных шипиков в гиппокампе (hippocampi) мыши, части мозга, играющей важную роль в памяти и пространственном ориентировании. Сначала ученые использовали два миниатюрных электрода, для подачи тока и измерения ответного напряжения в разных областях дендритов.

Также использовался прием под названием «глутаматный взрыв» (glutamate uncaging), процесс, заключающийся в высвобождении глутамата, возбуждающего нейротрансмиттера, чтобы вызвать электрические ответы определенных синапсов, как если бы синапс только что получил сигнал от соседнего нейрона. Третий способ использует чувствительный к кальцию краситель (кальций играет роль химического индикатора реакции происходящей в синапсе), который вводится в нейрон, чтобы визуально продемонстрировать изменения напряжения в шипике.

Исследователи в Северо-Западном университете использовали компьютерные модели настоящих нейронов (воссозданные из нейронов крыс того же типа) для построения трехмерной презентации нейрона с точной информацией о положении каждого дендрита, его диаметре и электрических свойствах. В ходе экспериментов и Компьютерной симуляции было выявлено, что электрическая сопротивляемость шипиков равномерна, вне зависимости от того, в какой части дендритного дерева они находятся.

Читайте также:  Дискинезия желчевыводящих путей у ребенка(ДЖВП) симптомы, диагностика и лечение - Дети

И хотя до полного понимания мозга необходимы еще множества исследований, знания об электрических процессах в шипиках могут помочь в лечении таких болезней как Альцгеймера и Гентингтона.

«Мозг имеет гораздо более сложное устройство, чем любой компьютер, который мы когда-либо создавали, и понимание принципов его работы может привести к прогрессу не только в медицине, но и в областях, которые мы еще не рассматривали, — сказал Кэс. — Мы могли бы научиться обрабатывать информацию такими способами, о которых сейчас можем только гадать».

Компьютерная симуляция в цветах, отображающая напряжение (в милливольтах) на фрагменте дендритного дерева нейрона. Генерированные компьютером шипики были прикреплены к дендритам, а синапсы на семи шипиках в центре активированы, из-за чего напряжение в этой области возросло. Симуляция определяет распространение электрического заряда и сопутствующее повышение напряжения в близлежащих частях дендритного дерева в течение короткого (1 – 1/3 миллисекунды) промежутка времени после момента активации синапсов. (Изображение является собственностью Северо-Западного университета)

Дендритный шипик

  • Дендритный шипик — мембранный вырост на поверхности дендрита, способный образовать синаптическое соединение. Шипики обычно имеют тонкую дендритную шейку, оканчивающуюся шарообразной дендритной головкой. Дендритные шипики обнаруживаются на дендритах большинства основных типов нейронов мозга. В создании шипиков участвует белок калирин.

Шипики отличаются множеством форм, что отражается в их категоризации — различают филоподии, протошипики, грибовидные шипики, тонкие шипики, пеньковые шипики, разветвленные шипики и т. д. Существуют свидетельства того, что разные формы шипиков соответствуют разным стадиям развития и различной силе синаптических соединений. В исследованиях с использованием двухфотонных лазерных сканирующих микроскопов и конфокальных микроскопов было показано, что в зависимости от типа синаптической стимуляции объём и форма шипиков может изменяться, а сами шипики могут поворачиваться в пространстве, появляться и исчезать, при этом наиболее устойчивыми являются грибовидные шипики.

Шипики, в частности, выполняют роль отдельных клеточных компартментов, предотвращающих изменения в содержании ионов в цитоплазме материнского дендрита при активной работе синапсов.

Связанные понятия

Хотя долгое время считалось, что потенциал действия (ПД) может генерироваться преимущественно на начальном сегменте низкопорогового нейронного аксона (AIS), в течение последних десятилетий было накоплено много данных в пользу того, что потенциалы действия также возникают в дендритах. Такой дендритный ПД, для того чтобы отличить его от аксонного потенциала действия, часто называют «дендритный спайк».

Гранулярные клетки — несколько разновидностей мелких нейронов мозга. Название «гранулярная клетка» («зернистая клетка», «клетка-зерно») используется анатомами для нескольких разных типов нейронов, единственной общей особенностью которых является крайне малый размер тел этих клеток.

Пирамидальные нейроны, или пирамидные нейроны, — основные возбудительные нейроны мозга млекопитающих. Также обнаруживаются у рыб, птиц, рептилий. Напоминают по форме пирамиду, из которой вверх ведёт большой апикальный дендрит; имеют один аксон, идущий вниз, и множество базальных дендритов. Впервые были исследованы Рамон-и-Кахалем. Отмечены в таких структурах, как кора мозга, гиппокамп, миндалевидное тело (амигдала), но отсутствуют в обонятельной луковице, стриатуме, среднем мозге, ромбовидном мозге.

Клетки-канделябры (англ. chandelier cell, chandelier neuron; иногда: канделябровидные клетки) — ГАМКергические интернейроны коры головного мозга, образующие характерные продолговатые аксо-аксональные соединения исключительно с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток. Так называемые «картриджи» — аксональные терминали, окутывающие начальные сегменты пирамидальных аксонов, напоминают свечи и придают нейронам вид канделябра. Клетки-канделябры содержат кальций-связывающий белок парвальбумин.

Читайте также:  Клотримазол цена, Клотримазол купить в Москве от 95 руб, инструкция по применению, аналоги, отзывы

Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом

Обучение и формирование долговременных воспоминаний у животных основано на постоянном образовании новых и отмирании старых связей между нейронами мозга. Американским нейробиологам впервые удалось детально проследить за этими процессами в ходе обучения у мышей. Оказалось, что при обучении дендриты (ветвящиеся «входные» отростки нейронов) образуют множество новых веточек, количество которых коррелирует с эффективностью обучения. После окончания тренировок большая часть новых отростков постепенно атрофируется, но некоторые сохраняются на всю жизнь, что обеспечивает длительное хранение приобретенных воспоминаний и навыков.

Механизмы формирования памяти на молекулярном и клеточном уровнях сегодня в общих чертах понятны (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). У млекопитающих ключевую роль в обучении и формировании долговременных воспоминаний играет непрерывное отращивание дендритами (короткими, разветвленными «входными» отростками нейронов) новых маленьких отросточков — дендритных шипиков. Шипики образуют контакты (синапсы) с другими нейронами и служат для приема сигналов. Наряду с отращиванием новых шипиков постоянно происходит исчезновение старых (это, очевидно, приводит к полному или частичному забыванию результатов прежнего обучения). Таким образом, нейрон может «подключаться» к тем или иным своим соседям и отсоединяться от них, усиливать и ослаблять силу контакта с ними (то есть придавать больший или меньший «вес» получаемым от них импульсам).

Мозг млекопитающих сочетает в себе две способности, которые, казалось бы, противоречат друг другу: постоянно усваивать новые знания (например, в виде приобретаемых условных рефлексов) и одновременно — сохранять часть приобретенных знаний до самой смерти. Как удается мозгу совмещать высокую пластичность межнейронных связей со стабильным хранением воспоминаний?

Разобраться в этом помогли, как обычно, новые приборы и методики. Нейробиологи из медицинского центра Нью-Йоркского университета использовали в своих опытах генно-модифицированных мышей, у которых некоторые нейроны коры головного мозга (а именно пирамидальные нейроны слоя V неокортекса, см.: Pyramidal neuron) производят желтый флуоресцирующий белок. Это позволяет наблюдать за ростом и отмиранием дендритных шипиков прямо у живых мышей, сквозь череп, при помощи двухфотонного лазерного микроскопа.

В первом эксперименте мышей в течение двух дней обучали бегать по быстро вращающемуся цилиндру — трюк, требующий определенного навыка. За эти два дня у мышей в нейронах участка моторной коры, отвечающего за движение передних лап, образовалось на 5–7% больше новых шипиков, чем у контрольных мышей, которые ничему не обучались. Кроме того, оказалось, что при продолжении однообразных тренировок образование новых шипиков замедляется (поскольку зверек уже научился этому трюку), но снова активизируется, если начать учить мышей чему-то другому (например, бежать по тому же цилиндру задом наперед). Это означает, что образование шипиков связано именно с обучением, а не просто с физическими упражнениями.

Во втором эксперименте вместо бега по крутящемуся цилиндру мышам нужно было научиться жить (и находить пищу и воду) в помещении, заполненном свисающими с потолка гирляндами из шариков. На этот раз новые шипики образовывались в основном в том отделе коры, который получает информацию от вибрисс (чувствительных усиков). У мышей с обстриженными усами дендриты этого отдела мозга не отращивали новых шипиков. Рост дендритных шипиков замедлялся после двух дней жизни в необычной обстановке, но снова активизировался при пересадке мыши в помещение с другими гирляндами.

После этого ученые проследили, как происходит утрата новоприобретенных шипиков после прекращения тренировок (что соответствует постепенному забыванию полученных «уроков»). Оказалось, что более 75% новых шипиков, отросших в ходе двухдневного обучения, утрачиваются в течение следующих двух недель. Гораздо медленнее происходит утрата шипиков, приобретенных в ходе более длительного (4–14-дневного) обучения.

Читайте также:  Рабелок лиофилизат дпригот р-ра двв 20 мг N 1 купить в Нягань, описание и инструкция по применению л

Естественно предположить, что те шипики, которые сохраняются надолго, отвечают за долговременное сохранение приобретенных навыков. Экспериментаторы проверили это, сопоставив число сохранившихся шипиков со степенью сохранности двигательных навыков через 1–2 недели после окончания тренировок. Результаты полностью подтвердили теоретические ожидания: те мыши, у которых сохранилось больше новоприобретенных шипиков, лучше сохранили и свои двигательные навыки (сохранность двигательных навыков оценивали по скорости, с которой мышь может бежать по крутящемуся барабану, не падая с него).

Авторы также обнаружили, что различные виды длительного (7–14 дневного) обучения приводят к ускоренной утрате дендритных шипиков, приобретенных ранее в течение жизни, в том числе во время предыдущего обучения чему-то другому. Новые навыки и воспоминания постепенно «затирают» старые — но, по-видимому, не до конца. Эффективность усвоения новых навыков положительно коррелирует с числом утраченных старых шипиков.

Сложная математическая обработка результатов наблюдений за сравнительно небольшим числом дендритов позволила сделать ряд дополнительных выводов. Новоприобретенные шипики, по-видимому, делятся на три группы: первая, самая многочисленная, исчезает в первые дни после окончания тренировок; вторая, меньшая, сохраняется в среднем 1–2 месяца. Но есть и третья группа шипиков (около 0,8% от общего числа), которая сохраняется на всю жизнь. Авторы рассчитали, что двухдневное обучение бегу на вращающемся цилиндре приводит к формированию около двух миллионов межнейронных контактов, сохраняющихся до самой смерти животного. Очевидно, этого вполне достаточно для сохранения двигательного навыка. До сих пор никто не знал, каким образом осуществляется пожизненное хранение воспоминаний: то ли они «записаны» раз и навсегда в одних и тех же межнейронных контактах, то ли сохраняются динамическим образом, постепенно «переписываясь» из одних синапсов в другие. Полученные результаты — аргумент в пользу первого из двух вариантов.

То, что авторам удалось показать пожизненное сохранение части дендритных шипиков, приобретенных в ходе обучения, является, по-видимому, самым важным результатом их работы. Ранее уже было известно, что система межнейронных связей чрезвычайно пластична и постоянно перестраивается. При этом оставалось неясным, как удается мозгу при такой пластичности и постоянных перестройках сохранять воспоминания в течение всей жизни.

Авторы также рассчитали, что из всех дендритных шипиков, имеющихся у мыши на 30-й день после рождения, до конца жизни сохраняется примерно 30–40%. В заключительной части статьи авторы приводят ряд косвенных аргументов в пользу того, что закономерности, обнаруженные ими у одного типа нейронов коры головного мозга — пирамидальных нейронов слоя V, — являются общими для большинства нейронов коры.

Это исследование заставляет задуматься о многом. Позволит ли дальнейшее развитие подобных технологий когда-нибудь разработать устройство для считывания знаний из мозга — например, умершего человека? Похоже на то, что ничего принципиально невозможного в этом нет. Конечно, необходимо учитывать, что информация в мозге «записана» не только в количестве синапсов, связывающих одни нейроны с другими, но и в их качестве, поскольку «проводимость» у разных синапсов разная и тоже может меняться в процессе обучения.

Источник: Guang Yang, Feng Pan, Wen-Biao Gan. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature. Advance online publication 29 November 2009.

Ссылка на основную публикацию
Цитовир-3 (капсулы) — описание, инструкция по применению Цитовир-3 (капсулы), показания, противопока
Цитовир ® -3 (Cytovir-3) инструкция по применению Владелец регистрационного удостоверения: Произведено: Контакты для обращений: Активные вещества Лекарственная форма Форма выпуска,...
Цистит — симптомы, лечение, профилактика, причины, первые признаки — болезни и состояния на Здоровье
Цистит: причины и симптомы По статистике цистит чаще развивается именно у женщин. Воспаления в слизистой оболочке мочевого пузыря образуются в...
Цистит анализ у мужчин на 3
Инфекция мочевыводящих путей Инфекция мочевыводящих путей – инфекционное поражение мочевыделительной системы, к которой относятся почки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспускательный канал....
Цитовир-3, сироп для детей купить в аптеке детский противовирусный препарат цена 465,00 руб
Цитовир-3 сироп для детей Цитовир-3 сироп для детей : инструкция по применению и отзывы Латинское название: Cytovir-3 Действующее вещество: альфа-глутамил-триптофан...
Adblock detector