Dendritische Wirbelsäule - Dendritic spine

Dendritische Wirbelsäule
Dendritische Stacheln.jpg
Stacheliger Dendriten eines mittelgroßen stacheligen Neurons im Striatum .
Spline-Typen 3D.png
Häufige Arten von dendritischen Dornen.
Einzelheiten
Identifikatoren
Latein Gemmula dendritica
Gittergewebe D049229
NS H2.00.06.00036
Anatomische Begriffe der Mikroanatomie

Eine dendritische Wirbelsäule (oder Wirbelsäule ) ist ein kleiner membranartiger Vorsprung aus dem Dendriten eines Neurons , der typischerweise von einem einzelnen Axon an der Synapse Eingaben erhält . Dendritische Dornen dienen als Speicherort für synaptische Stärke und helfen, elektrische Signale an den Zellkörper des Neurons zu übertragen. Die meisten Dornen haben einen bauchigen Kopf (den Dornkopf) und einen dünnen Hals, der den Kopf der Wirbelsäule mit dem Dendritenschaft verbindet. Die Dendriten eines einzelnen Neurons können Hunderte bis Tausende von Dornen enthalten. Neben Stacheln, die ein anatomisches Substrat für Gedächtnisspeicher und synaptische Übertragung darstellen, können sie auch dazu dienen, die Anzahl möglicher Kontakte zwischen Neuronen zu erhöhen. Es wurde auch vorgeschlagen, dass Veränderungen in der Aktivität von Neuronen einen positiven Einfluss auf die Morphologie der Wirbelsäule haben.

Struktur

Dendritische Dornen sind klein mit Dornkopfvolumen im Bereich von 0,01 µm 3 bis 0,8 µm 3 . Dornen mit starken synaptischen Kontakten haben typischerweise einen großen Dornenkopf, der über einen häutigen Hals mit dem Dendriten verbunden ist. Die bemerkenswertesten Klassen der Wirbelsäulenform sind "dünn", "stämmig", "Pilz" und "verzweigt". Elektronenmikroskopische Studien haben gezeigt, dass es zwischen diesen Kategorien ein Kontinuum von Formen gibt. Es wird angenommen, dass die variable Form und das Volumen der Wirbelsäule mit der Stärke und Reife jeder Wirbelsäulensynapse korreliert.

Verteilung

Dendritische Dornen erhalten normalerweise einen erregenden Input von Axonen, obwohl manchmal sowohl hemmende als auch erregende Verbindungen auf demselben Dornenkopf hergestellt werden . Die Nähe des exzitatorischen Axons zu dendritischen Dornen reicht nicht aus, um das Vorhandensein einer Synapse vorherzusagen, wie das Lichtman- Labor 2015 demonstrierte .

Dornen werden auf den Dendriten der meisten Hauptneuronen im Gehirn gefunden, einschließlich der Pyramidenneuronen des Neocortex , der mittelgroßen stacheligen Neuronen des Striatums und der Purkinje-Zellen des Kleinhirns . Dendritische Dornen treten bei einer Dichte von bis zu 5 Dornen/1 µm Dendritendehnung auf. Hippocampale und kortikale Pyramidenneuronen können Zehntausende von meist erregenden Inputs von anderen Neuronen auf ihre ebenso zahlreichen Stacheln erhalten, während die Anzahl der Stacheln auf Purkinje-Neurondendriten eine Größenordnung größer ist.

Zytoskelett und Organellen

Das Zytoskelett der dendritischen Dornen ist in seiner synaptischen Plastizität besonders wichtig; Ohne ein dynamisches Zytoskelett wären die Stacheln nicht in der Lage, ihr Volumen oder ihre Form als Reaktion auf Reize schnell zu ändern. Diese Formänderungen können die elektrischen Eigenschaften der Wirbelsäule beeinflussen. Das Zytoskelett von dendritischen Dornen besteht hauptsächlich aus filamentösem Aktin ( F-Aktin ). Tubulin Monomere und Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) sind vorhanden, und organisierte Mikrotubuli sind vorhanden. Da Stacheln ein Zytoskelett hauptsächlich aus Aktin haben, können sie in Form und Größe sehr dynamisch sein. Das Aktin-Zytoskelett bestimmt direkt die Morphologie der Wirbelsäule, und Aktin-Regulatoren, kleine GTPasen wie Rac , RhoA und CDC42 , modifizieren dieses Zytoskelett schnell. Eine überaktive Rac1 führt konsequent kleinere dendritischen Dornen.

Zusätzlich zu ihrer elektrophysiologischen Aktivität und ihrer rezeptorvermittelten Aktivität scheinen Stacheln vesikulär aktiv zu sein und können sogar Proteine translatieren . In dendritischen Dornen wurden gestapelte Scheiben des glatten endoplasmatischen Retikulums (SERs) identifiziert. Die Bildung dieses „ Wirbelsäulenapparates “ hängt vom Protein Synaptopodin ab und spielt vermutlich eine wichtige Rolle beim Umgang mit Kalzium. Auch in Dornen wurden "glatte" Vesikel identifiziert, die die vesikuläre Aktivität in dendritischen Dornen unterstützen. Das Vorhandensein von Polyribosomen in Stacheln deutet auch auf eine Proteintranslationsaktivität in der Wirbelsäule selbst hin, nicht nur im Dendriten.

Morphogenese

Die Morphogenese von dendritischen Dornen ist entscheidend für die Induktion der Langzeitpotenzierung (LTP). Die Morphologie der Wirbelsäule hängt von den Aktinzuständen ab , entweder in kugeliger (G-Aktin) oder filamentöser (F-Aktin) Form. Die Rolle der Rho-Familie von GTPasen und ihre Auswirkungen auf die Stabilität von Aktin und der Beweglichkeit der Wirbelsäule haben wichtige Auswirkungen auf das Gedächtnis. Wenn die dendritische Wirbelsäule die Grundeinheit der Informationsspeicherung ist, muss die Fähigkeit der Wirbelsäule, sich spontan auszudehnen und zurückzuziehen, eingeschränkt sein. Andernfalls können Informationen verloren gehen. Die GTPasen-Familie von Rho leistet einen wesentlichen Beitrag zu dem Prozess, der die Aktin-Polymerisation stimuliert, was wiederum die Größe und Form der Wirbelsäule erhöht. Große Dornen sind stabiler als kleinere und können gegen Modifikationen durch zusätzliche synaptische Aktivität resistent sein. Da Veränderungen in Form und Größe dendritischer Dornen mit der Stärke der exzitatorischen synaptischen Verbindungen korrelieren und stark von der Umgestaltung des zugrunde liegenden Aktinzytoskeletts abhängen, sind die spezifischen Mechanismen der Aktinregulation und damit die Rho-Familie der GTPasen integraler Bestandteil der Bildung , Reifung und Plastizität der dendritischen Dornen sowie auf Lernen und Gedächtnis.

RhoA-Pfad

Eine der wichtigsten Rho-GTPasen, die an der Morphogenese der Wirbelsäule beteiligt sind, ist RhoA , ein Protein, das auch die Regulation und das Timing der Zellteilung moduliert. Im Zusammenhang mit der Aktivität in Neuronen wird RhoA auf folgende Weise aktiviert: Sobald Calcium über NMDA-Rezeptoren in eine Zelle gelangt ist , bindet es an Calmodulin und aktiviert CaMKII , was zur Aktivierung von RhoA führt. Durch die Aktivierung des RhoA-Proteins wird ROCK, eine RhoA-Kinase, aktiviert, was zur Stimulation der LIM-Kinase führt , die wiederum das Protein Cofilin hemmt . Die Funktion von Cofilin besteht darin, das Aktin-Zytoskelett einer Zelle zu reorganisieren; es depolymerisiert nämlich Aktinsegmente und hemmt somit das Wachstum von Wachstumskegeln und die Reparatur von Axonen.

Eine Studie von Murakoshi et al. im Jahr 2011 implizierten die Rho GTPasen RhoA und Cdc42 bei der Morphogenese der dendritischen Wirbelsäule. Beide GTPasen wurden in einzelnen dendritischen Stacheln von Pyramidenneuronen in der CA1-Region des Ratten- Hippocampus während der strukturellen Plastizität, die durch langfristige Potenzierungsreize hervorgerufen wurde, schnell aktiviert . Die gleichzeitige Aktivierung von RhoA und Cdc42 führte zu einer vorübergehenden Zunahme des Dornwachstums von bis zu 300% für fünf Minuten, die für dreißig Minuten in ein kleineres, aber anhaltendes Wachstum abfiel. Die Aktivierung von RhoA diffundierte um die Umgebung der stimulierten Wirbelsäule, und es wurde festgestellt, dass RhoA für die Übergangsphase und höchstwahrscheinlich auch für die anhaltende Phase des Wirbelsäulenwachstums notwendig ist.

Cdc42-Weg

Cdc42 ist an vielen verschiedenen Funktionen beteiligt, einschließlich dendritischem Wachstum, Verzweigung und Verzweigungsstabilität. Der Calciumeinstrom in die Zelle durch NMDA-Rezeptoren bindet an Calmodulin und aktiviert die Ca2+/Calmodulin-abhängigen Proteinkinasen II (CaMKII). Im Gegenzug wird CaMKII aktiviert und dies aktiviert Cdc42, wonach keine Rückkopplungssignale stromaufwärts von Calcium und CaMKII auftreten. Wenn es mit einem durch Monomer verstärkten grün fluoreszierenden Protein markiert ist, kann man sehen, dass die Aktivierung von Cdc42 auf nur die stimulierte Wirbelsäule eines Dendriten beschränkt ist. Dies liegt daran, dass das Molekül während der Plastizität kontinuierlich aktiviert wird und nach der Diffusion aus der Wirbelsäule sofort inaktiviert wird. Trotz seiner unterteilten Aktivität ist Cdc42 genauso wie RhoA aus der stimulierten Wirbelsäule heraus mobil. Cdc42 aktiviert PAK, eine Proteinkinase, die spezifisch phosphoryliert und daher ADF/Cofilin inaktiviert. Die Inaktivierung von Cofilin führt zu einer erhöhten Aktinpolymerisation und einer Volumenausdehnung der Wirbelsäule. Die Aktivierung von Cdc42 ist erforderlich, damit diese Zunahme des Spinalvolumens aufrechterhalten werden kann.

Beobachtete Veränderungen der strukturellen Plastizität

Calciumeinstrom durch NMDA-Rezeptoren aktiviert CAMKII. CAMKII reguliert dann mehrere andere Signalkaskaden, die die Aktivität der Aktin-bindenden Proteine ​​Cofilin und Profilin modulieren. Diese Kaskaden können in zwei Hauptwege unterteilt werden, den RhoA- und den Cdc42-Weg, die hauptsächlich durch diese Mitglieder der Rho-Familie von GTPasen vermittelt werden. Im Übergangsstadium führt die durch synaptische Aktivität verursachte Signalkaskade dazu, dass LIMK1 ADF/Cofilin sowohl über den RhoA- als auch den Cdc42-Weg phosphoryliert, was wiederum die Depolymerisation von F-Aktin hemmt und das Volumen der dendritischen Wirbelsäule drastisch erhöht, während auch LTP . induziert wird .

Murakoshi, Wang und Yasuda (2011) untersuchten die Auswirkungen der Rho-GTPase-Aktivierung auf die strukturelle Plastizität einzelner dendritischer Dornen und verdeutlichten die Unterschiede zwischen der transienten und der anhaltenden Phase.

Transiente Änderungen der strukturellen Plastizität

Die Anwendung einer niederfrequenten Folge von Zwei-Photonen-Glutamat-Freisetzung in einer einzelnen dendritischen Wirbelsäule kann eine schnelle Aktivierung sowohl von RhoA als auch von Cdc42 auslösen. Während der nächsten zwei Minuten kann sich das Volumen der stimulierten Wirbelsäule auf 300 Prozent ihrer ursprünglichen Größe ausdehnen. Diese Veränderung der Wirbelsäulenmorphologie ist jedoch nur vorübergehend; das Volumen der Wirbelsäule nimmt nach fünf Minuten ab. Die Verabreichung von C3-Transferase, einem Rho-Inhibitor, oder Glycyl-H1152, einem Rock-Inhibitor, hemmt die vorübergehende Expansion der Wirbelsäule, was darauf hinweist, dass für diesen Prozess in irgendeiner Weise eine Aktivierung des Rho-Rock-Signalwegs erforderlich ist.

Nachhaltige Veränderungen der strukturellen Plastizität

Im Gegensatz dazu konzentriert sich das anhaltende Stadium mehr auf die Aktivierung des RhoA-Signalwegs, was letztendlich zu einer höheren Profilinkonzentration führt, die eine zusätzliche Polymerisation von Aktin verhindert und die Größe des dendritischen Dorns im Übergangsstadium verringert, es jedoch immer noch ermöglicht, zu bleiben auf einem erhöhten Niveau im Vergleich zu einer nicht potenzierten Wirbelsäule.

Nach den oben beschriebenen vorübergehenden Veränderungen nimmt das Volumen der Wirbelsäule ab, bis es um 70 bis 80 Prozent des ursprünglichen Volumens angehoben wird. Diese anhaltende Veränderung der strukturellen Plastizität wird etwa dreißig Minuten dauern. Wieder einmal unterdrückte die Verabreichung von C3-Transferase und Glycyl-H1152 dieses Wachstum, was darauf hindeutet, dass der Rho-Rock-Weg für eine anhaltendere Zunahme des Spinalvolumens notwendig ist. Darüber hinaus verringert die Verabreichung der Cdc42-Bindungsdomäne von Wespe oder eines Inhibitors, der auf die Pak1-Aktivierung-3 (IPA3) abzielt, dieses anhaltende Volumenwachstum, was zeigt, dass der Cdc42-Pak-Weg auch für dieses Wachstum des Spinalvolumens benötigt wird. Dies ist wichtig, da anhaltende Veränderungen der strukturellen Plastizität einen Mechanismus für die Kodierung, Aufrechterhaltung und den Abruf von Erinnerungen bereitstellen können. Die gemachten Beobachtungen können darauf hindeuten, dass Rho GTPasen für diese Prozesse notwendig sind.

Physiologie

Rezeptoraktivität

Dendritische Dornen exprimieren auf ihrer Oberfläche Glutamatrezeptoren (zB AMPA-Rezeptor und NMDA-Rezeptor ). Der TrkB- Rezeptor für BDNF wird auch auf der Wirbelsäulenoberfläche exprimiert und spielt vermutlich eine Rolle beim Überleben der Wirbelsäule. Die Spitze der Wirbelsäule enthält eine elektronendichte Region, die als „ postsynaptische Dichte “ (PSD) bezeichnet wird. Die PSD liegt direkt an der aktiven Zone ihres synapsierenden Axons an und umfasst ~10% der Membranoberfläche der Wirbelsäule; Neurotransmitter, die aus der aktiven Zone freigesetzt werden, binden Rezeptoren in der postsynaptischen Dichte der Wirbelsäule. Die Hälfte der synapsierenden Axone und dendritischen Dornen sind physisch durch Calcium- abhängiges Cadherin verbunden , das zwischen zwei Neuronen Zell-zu-Zell-adhärente Verbindungen bildet.

Glutamatrezeptoren (GluRs) sind in der postsynaptischen Dichte lokalisiert und durch Elemente des Zytoskeletts an der Membran verankert. Sie sind direkt über ihrer Signalmaschinerie positioniert, die typischerweise an der Unterseite der Plasmamembran befestigt ist, sodass Signale, die von den GluRs in das Zytosol übertragen werden, von ihren nahegelegenen Signalelementen weiter verbreitet werden, um Signaltransduktionskaskaden zu aktivieren . Die Lokalisierung von Signalisierungselementen an ihren GluRs ist besonders wichtig, um die Aktivierung der Signalkaskade sicherzustellen, da GluRs ohne nahe gelegene Signalgeber bestimmte Downstream-Effekte nicht beeinflussen könnten.

Die Signalübertragung von GluRs wird durch die Anwesenheit einer Fülle von Proteinen, insbesondere Kinasen, vermittelt, die in der postsynaptischen Dichte lokalisiert sind. Dazu gehören Calcium- abhängiges Calmodulin , CaMKII (Calmodulin-abhängige Proteinkinase II), PKC (Proteinkinase C), PKA (Proteinkinase A), Protein Phosphatase-1 (PP-1) und Fyn-Tyrosinkinase . Bestimmte Signalgeber wie CaMKII werden als Reaktion auf Aktivität hochreguliert.

Dornen sind für Neuronen besonders vorteilhaft, da sie biochemische Signale kompartimentieren. Dies kann dazu beitragen, Veränderungen im Zustand einer einzelnen Synapse zu codieren, ohne den Zustand anderer Synapsen desselben Neurons notwendigerweise zu beeinflussen. Die Länge und Breite des Wirbelsäulenhalses hat einen großen Einfluss auf den Grad der Kompartimentierung, wobei dünne Stacheln die am stärksten biochemisch isolierten Stacheln sind.

Plastizität

Siehe auch: Synaptische Plastizität und Dendriten

Dendritische Dornen sind sehr "plastisch", d.h. Dornen verändern sich in kleinen Zeitverläufen in Form, Volumen und Anzahl erheblich. Da Stacheln hauptsächlich ein Aktin- Zytoskelett aufweisen , sind sie dynamisch, und die meisten Stacheln ändern ihre Form aufgrund der Dynamik des Aktin-Umbaus innerhalb von Sekunden bis Minuten . Außerdem ist die Anzahl der Stacheln sehr variabel und Stacheln kommen und gehen; innerhalb von Stunden können 10-20% der Stacheln spontan auf den Pyramidenzellen der Großhirnrinde erscheinen oder verschwinden, obwohl die größeren "pilzförmigen" Stacheln am stabilsten sind.

Die Erhaltung und Plastizität der Wirbelsäule ist aktivitätsabhängig und aktivitätsunabhängig. BDNF bestimmt teilweise die Wirbelsäulenspiegel, und eine geringe AMPA-Rezeptoraktivität ist notwendig, um das Überleben der Wirbelsäule zu erhalten, und die synaptische Aktivität, die NMDA-Rezeptoren einbezieht , fördert das Wirbelsäulenwachstum. Darüber hinaus haben Zwei-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskopie und konfokale Mikroskopie gezeigt, dass sich das Volumen der Wirbelsäule in Abhängigkeit von der Art der Reize ändert, die einer Synapse präsentiert werden.

Bedeutung für Lernen und Gedächtnis

Bedeutungsnachweis

Eine Darstellung der Wirbelsäulenbildung und -beseitigung.
Erfahrungsabhängige Wirbelsäulenbildung und -beseitigung

Die Plastizität der Wirbelsäule ist an Motivation , Lernen und Gedächtnis beteiligt . Insbesondere wird das Langzeitgedächtnis teilweise durch das Wachstum neuer dendritischer Dornen (oder die Vergrößerung bereits vorhandener Dornen) vermittelt, um eine bestimmte Nervenbahn zu verstärken. Da es sich bei dendritischen Dornen um plastische Strukturen handelt, deren Lebensdauer von der Eingabeaktivität beeinflusst wird, kann die Dynamik der Wirbelsäule eine wichtige Rolle bei der lebenslangen Aufrechterhaltung des Gedächtnisses spielen.

Altersabhängige Veränderungen der Spine Turnover Rate deuten darauf hin, dass die Stabilität der Wirbelsäule das entwicklungsbezogene Lernen beeinflusst. In der Jugend ist der dendritische Dornumsatz relativ hoch und führt zu einem Nettoverlust an Dornen. Diese hohe Rate des Spine Turnover kann kritische Entwicklungsphasen charakterisieren und die Lernfähigkeit in der Adoleszenz widerspiegeln – verschiedene kortikale Bereiche weisen während der Entwicklung unterschiedliche Niveaus des synaptischen Turnovers auf, was möglicherweise unterschiedliche kritische Phasen für bestimmte Gehirnregionen widerspiegelt . Im Erwachsenenalter bleiben die meisten Dornen jedoch hartnäckig und die Halbwertszeit der Dornen nimmt zu. Diese Stabilisierung erfolgt aufgrund einer entwicklungsbedingt regulierten Verlangsamung der Ausscheidung der Wirbelsäule, ein Prozess, der der Stabilisierung von Erinnerungen im Alter zugrunde liegen kann.

Erfahrungsbedingte Veränderungen der Stabilität der dendritischen Wirbelsäule weisen auch auf den Spine Turnover als einen Mechanismus hin, der an der Aufrechterhaltung von Langzeitgedächtnissen beteiligt ist, obwohl unklar ist, wie sensorische Erfahrung neuronale Schaltkreise beeinflusst. Zwei allgemeine Modelle könnten den Einfluss von Erfahrungen auf die strukturelle Plastizität beschreiben. Einerseits können Erfahrung und Aktivität die diskrete Bildung relevanter synaptischer Verbindungen antreiben, die bedeutungsvolle Informationen speichern, um das Lernen zu ermöglichen. Andererseits können synaptische Verbindungen im Übermaß gebildet werden, und Erfahrung und Aktivität können dazu führen, dass fremde synaptische Verbindungen beschnitten werden.

Bei Labortieren jeden Alters wurde die Umweltanreicherung mit dendritischer Verzweigung, der Dorndichte und der Gesamtzahl der Synapsen in Verbindung gebracht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Fertigkeitstraining zur Bildung und Stabilisierung neuer Stacheln führt, während es gleichzeitig alte Stacheln destabilisiert, was darauf hindeutet, dass das Erlernen einer neuen Fertigkeit einen Neuverdrahtungsprozess neuronaler Schaltkreise beinhaltet. Da das Ausmaß der Wirbelsäulenremodellierung mit dem Lernerfolg korreliert, deutet dies auf eine entscheidende Rolle der synaptischen strukturellen Plastizität bei der Gedächtnisbildung hin. Darüber hinaus treten Veränderungen der Wirbelsäulenstabilität und -stärkung schnell auf und wurden innerhalb von Stunden nach dem Training beobachtet.

Umgekehrt, während Anreicherung und Training mit einer Erhöhung der Wirbelsäulenbildung und -stabilität verbunden sind, führt eine langfristige sensorische Deprivation zu einer Erhöhung der Eliminationsrate der Wirbelsäule und beeinflusst daher die langfristigen neuronalen Schaltkreise. Bei der Wiederherstellung der sensorischen Erfahrung nach Deprivation in der Adoleszenz wird die Elimination der Wirbelsäule beschleunigt, was darauf hindeutet, dass Erfahrung eine wichtige Rolle beim Nettoverlust von Stacheln während der Entwicklung spielt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass andere Paradigmen der sensorischen Deprivation – wie das Trimmen von Schnurrhaaren – die Stabilität neuer Stacheln erhöhen.

Forschungen zu neurologischen Erkrankungen und Verletzungen geben Aufschluss über die Natur und Bedeutung des Spine Turnover. Nach einem Schlaganfall tritt eine deutliche Zunahme der strukturellen Plastizität in der Nähe der Traumastelle auf, und es wurde eine fünf- bis achtfache Zunahme des Spine Turnover gegenüber den Kontrollraten beobachtet. Dendriten zerfallen und bauen sich während einer Ischämie schnell wieder auf – wie bei einem Schlaganfall zeigten Überlebende eine Zunahme des dendritischen Spine Turnus. Während bei der Alzheimer-Krankheit und in Fällen von geistiger Behinderung ein Nettoverlust von Stacheln beobachtet wird, wurde der Konsum von Kokain und Amphetamin mit einer Zunahme der dendritischen Verzweigung und der Stacheldichte im präfrontalen Kortex und im Nucleus accumbens in Verbindung gebracht . Da bei verschiedenen Erkrankungen des Gehirns signifikante Veränderungen der Wirbelsäulendichte auftreten, deutet dies auf einen ausgeglichenen Zustand der Wirbelsäulendynamik unter normalen Umständen hin, die unter verschiedenen pathologischen Bedingungen anfällig für Ungleichgewichte sein kann.

Es gibt auch Hinweise auf den Verlust von dendritischen Dornen als Folge des Alterns. Eine Studie mit Mäusen hat eine Korrelation zwischen altersbedingter Verringerung der Wirbelsäulendichte im Hippocampus und altersabhängiger Abnahme des Lern- und Gedächtnisses im Hippocampus festgestellt.

Bedeutung umstritten

Trotz experimenteller Befunde, die eine Rolle der Dynamik der dendritischen Wirbelsäule bei der Vermittlung von Lernen und Gedächtnis nahelegen, bleibt der Grad der strukturellen Plastizität umstritten. Studien schätzen beispielsweise, dass nur ein kleiner Teil der während des Trainings gebildeten Stacheln tatsächlich zum lebenslangen Lernen beiträgt. Darüber hinaus trägt die Bildung neuer Stacheln möglicherweise nicht wesentlich zur Konnektivität des Gehirns bei, und die Bildung von Stacheln hat möglicherweise keinen so großen Einfluss auf die Gedächtniserhaltung wie andere Eigenschaften der strukturellen Plastizität, wie z. B. die Vergrößerung der Wirbelsäulenköpfe.

Modellieren

Theoretiker haben jahrzehntelang Hypothesen über die potenzielle elektrische Funktion von Dornen aufgestellt, doch unsere Unfähigkeit, ihre elektrischen Eigenschaften zu untersuchen, hat bis vor kurzem verhindert, dass die theoretische Arbeit zu weit fortgeschritten ist. Jüngste Fortschritte bei bildgebenden Verfahren sowie der verstärkte Einsatz von Zwei-Photonen-Glutamat-Freisetzung haben zu einer Fülle neuer Entdeckungen geführt; wir vermuten nun, dass in den Wirbelsäulenköpfen spannungsabhängige Natrium-, Kalium- und Kalziumkanäle vorhanden sind.

Die Kabeltheorie liefert den theoretischen Rahmen hinter der "einfachsten" Methode zur Modellierung des Flusses elektrischer Ströme entlang passiver Nervenfasern. Jede Wirbelsäule kann als zwei Kompartimente behandelt werden, von denen eines den Hals und das andere den Kopf der Wirbelsäule darstellt. Allein das den Wirbelsäulenkopf repräsentierende Kompartiment sollte die aktiven Eigenschaften tragen.

Kontinuumsmodell von Bär und Rinzel

Um die Analyse der Wechselwirkungen zwischen vielen Stacheln zu erleichtern, formulierten Baer & Rinzel eine neue Kabeltheorie, bei der die Verteilung der Stacheln als Kontinuum behandelt wird. In dieser Darstellung ist die Spine Head Voltage das lokale räumliche Mittel des Membranpotentials in benachbarten Spines. Die Formulierung behält das Merkmal bei, dass es keine direkte elektrische Kopplung zwischen benachbarten Stacheln gibt; Spannungsverteilung entlang Dendriten ist die einzige Möglichkeit für Dornen, miteinander zu interagieren.

Spike-Diffus-Spike-Modell

Das SDS-Modell war als rechentechnisch einfache Version des vollständigen Baer- und Rinzel-Modells gedacht. Es wurde so konzipiert, dass es analytisch beherrschbar ist und so wenig freie Parameter wie möglich hat, während die wichtigsten, wie der Wirbelsäulenhalswiderstand, erhalten bleiben. Das Modell lässt die Kontinuumsnäherung fallen und verwendet stattdessen einen passiven Dendriten, der an diskreten Punkten mit erregbaren Stacheln gekoppelt ist. Die Membrandynamik in den Wirbelsäulen wird durch Integrieren und Feuern modelliert. Die Spitzenereignisse werden auf diskrete Weise modelliert, wobei die Wellenform herkömmlicherweise als rechteckige Funktion dargestellt wird.

Modellierung von Kalziumtransienten der Wirbelsäule

Kalziumtransienten in der Wirbelsäule sind ein wichtiger Auslöser für die synaptische Plastizität. NMDA-Rezeptoren , die eine hohe Permeabilität für Calcium aufweisen, leiten nur Ionen, wenn das Membranpotential ausreichend depolarisiert ist. Die Kalziummenge, die während der synaptischen Aktivität in die Wirbelsäule gelangt, hängt daher von der Depolarisation des Kopfes der Wirbelsäule ab. Beweise aus Calcium-Imaging-Experimenten ( Zwei-Photonen-Mikroskopie ) und aus Kompartimentmodellen weisen darauf hin, dass Dornen mit Hälsen mit hohem Widerstand während der synaptischen Aktivität größere Calcium-Transienten erfahren.

Entwicklung

Dendritische Dornen können sich direkt aus dendritischen Schäften oder aus dendritischen Filopodien entwickeln . Während der Synaptogenese sprießen Dendriten schnell und ziehen Filopodien, kleine Membranorganellen ohne Membranvorsprünge, zurück. Kürzlich wurde festgestellt, dass das I-BAR-Protein MIM zum Initiationsprozess beiträgt. Während der ersten Geburtswoche wird das Gehirn von Filopodien dominiert, die schließlich Synapsen entwickeln. Nach dieser ersten Woche werden die Filopodien jedoch durch stachelige Dendriten, aber auch kleine, stummelige Stacheln ersetzt, die aus stacheligen Dendriten herausragen. Bei der Entwicklung bestimmter Filopodien zu Stacheln rekrutieren Filopodien präsynaptischen Kontakt zum Dendriten, was die Bildung von Stacheln fördert, um einen speziellen postsynaptischen Kontakt mit den präsynaptischen Vorsprüngen zu bewältigen.

Dornen erfordern jedoch nach der Bildung eine Reifung. Unreife Stacheln haben eingeschränkte Signalfähigkeiten und haben typischerweise keine "Köpfe" (oder haben sehr kleine Köpfe), nur Hälse, während reife Stacheln sowohl Kopf als auch Hälse behalten.

Klinische Bedeutung

Kognitive Störungen wie ADHS , Alzheimer-Krankheit , Autismus , geistige Behinderung und das Fragile-X-Syndrom können aus Anomalien der dendritischen Dornen resultieren, insbesondere der Anzahl der Dornen und ihrer Reife. Das Verhältnis von reifen zu unreifen Dornen ist für ihre Signalübertragung wichtig, da unreife Dornen eine beeinträchtigte synaptische Signalübertragung aufweisen. Das Fragile-X-Syndrom ist durch einen Überfluss an unreifen Dornen gekennzeichnet, die mehrere Filopodien in kortikalen Dendriten aufweisen.

Geschichte

Dendritische Dornen wurden erstmals Ende des 19. Jahrhunderts von Santiago Ramón y Cajal an Kleinhirnneuronen beschrieben. Ramón y Cajal schlug dann vor, dass dendritische Dornen als Kontaktstellen zwischen Neuronen dienen könnten. Dies wurde mehr als 50 Jahre später durch das Aufkommen der Elektronenmikroskopie nachgewiesen. Bis zur Entwicklung der konfokalen Mikroskopie an lebenden Geweben wurde allgemein anerkannt, dass Stacheln während der Embryonalentwicklung gebildet werden und dann nach der Geburt stabil bleiben. In diesem Paradigma wurden Variationen des synaptischen Gewichts als ausreichend angesehen, um Gedächtnisprozesse auf zellulärer Ebene zu erklären. Aber seit etwa einem Jahrzehnt zeigen neue Techniken der konfokalen Mikroskopie, dass dendritische Dornen tatsächlich bewegliche und dynamische Strukturen sind, die auch nach der Geburt einem ständigen Wechsel unterliegen.

Verweise

Weiterlesen

Externe Links