Тихий синапс - Silent synapse

В нейробиология, а тихий синапс возбуждает глутаматергический синапс чей постсинаптический мембрана содержит Рецепторы глутамата NMDA-типа но нет Глутаматные рецепторы AMPA-типа.[1] Эти синапсы называются «молчащими», потому что нормальная передача сигналов, опосредованная рецептором AMPA, отсутствует, что делает синапс неактивным в типичных условиях. Тихие синапсы обычно считаются незрелыми глутаматергическими синапсами. По мере взросления мозга относительное количество безмолвных синапсов уменьшается. Однако недавнее исследование гиппокамп молчащие синапсы показывают, что, хотя они действительно могут быть вехой в развитии синапсов, синапсы могут быть «заглушены» активностью, даже если они приобрели рецепторы AMPA. Таким образом, тишина может быть состоянием, которое синапсы могут посещать много раз в течение своей жизни.

Синаптическая передача

Тихий синапс с NMDA, но без рецепторов AMPA.

Нормальный коробка передач через глутаматергический синапс полагается на нейротрансмиттер глутамат, глутамат-специфичный Рецептор AMPA (AMPAR) и кальций ионы. Попадание иона кальция в пресинаптический терминал вызывает пресинаптическое высвобождение глутамата, который диффундирует через синаптическую щель, связываясь с рецепторами глутамата на постсинаптической мембране. Есть четыре подтипа рецепторы глутамата: Рецепторы AMPA (AMPAR) (ранее известные как рецепторы quisqualate), Рецепторы NMDA (NMDAR), каинатные рецепторы, и метаботропные рецепторы глутамата (mGluRs). Большинство исследований было сосредоточено на AMPAR и NMDAR. Когда глутамат связывается с AMPAR, расположенными на постсинаптической мембране, они допускают смешанный поток Na+ и K+ пересекать клеточную мембрану, вызывая деполяризацию постсинаптической мембраны. Эта локализованная деполяризация называется возбуждающий постсинаптический потенциал (EPSP).

Тихие синапсы высвобождают глутамат, как и прототипные глутаматергические синапсы, но их постсинаптические мембраны содержат только NMDA - и, возможно, mGlu - рецепторы, способные связывать глутамат. Хотя рецепторы AMPA не экспрессируются в постсинаптических мембранах молчаливых синапсов, они хранятся в пузырьках внутри постсинаптических клеток, где они не могут обнаружить внеклеточный глутамат, но могут быть быстро вставлены в постсинаптическую клеточную мембрану в ответ на тетанизирующий стимул. NMDAR функционально аналогичен AMPAR, за исключением двух основных отличий: NMDAR переносят ионные токи, состоящие из Na+, К+, но также (в отличие от большинства AMPAR) Ca2+; NMDAR также имеет участок внутри своего ионного канала, который связывает ионы магния (Mg2+). Этот участок связывания магния расположен в поре канала, в месте внутри электрического поля, создаваемого мембранным потенциалом. Обычно ток не проходит через канал NMDAR, даже если он связан с глутаматом. Это связано с тем, что ионный канал, связанный с этим рецептором, закупорен магнием, действующим как пробка в бутылке. Однако, поскольку Mg2+ заряжен и связан в электрическом поле мембраны, деполяризация мембранного потенциала выше порога может вытеснить магний, позволяя току течь через канал NMDAR. Это придает NMDAR свойство зависеть от напряжения, так как требует сильного постсинаптического деполяризация чтобы позволить ионный поток.

Характеристики

Деполяризация мембраны позволяет рецептору NMDA реагировать на глутамат.

Тихие синапсы были предложены как объяснение различий в квантовый содержание возбуждающих постсинаптических токов (EPSC), опосредованных AMPAR и NMDAR в гиппокамп нейроны.[2] Более прямые доказательства были получены в экспериментах, в которых стимулировались только несколько аксонов. Стимуляция молчащего синапса не вызывает EPSC, когда постсинаптическая клетка зажатый при -60 мВ. Стимуляция тихого синапса буду вызывают EPSC, когда постсинаптическая клетка деполяризована выше -40 мВ.[3] Это связано с тем, что им не хватает поверхностного AMPAR для пропускания тока при гиперполяризованных потенциалах, но они обладают NMDAR, которые пропускают ток при более положительных потенциалах (из-за снятия магниевого блока). Более того, ЭПСК, вызванные деполяризованными мембранными потенциалами, могут быть полностью заблокированы D-APV, селективный блокатор NMDAR.[4]

Активация

Тихие синапсы активируются за счет введения AMPAR в постсинаптическую мембрану, явление, обычно называемое "Торговля рецепторами AMPA."[5]

Когда глутамат связывается с сильно деполяризованной постсинаптической клеткой (например, во время Hebbian LTP ), Ca2+ быстро входит и связывается с кальмодулин. Кальмодулин активирует кальций / кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMKII), который, помимо прочего, действует на AMPAR-содержащие пузырьки возле постсинаптической мембраны. CaMKII фосфорилаты эти AMPAR, который служит сигналом для их вставки в постсинаптическую мембрану. Как только AMPAR вставлены, синапс больше не молчит; Активированные синапсы больше не требуют одновременной пре- и постсинаптической активности для того, чтобы вызывать ВПСП. После первоначальной активации (Early Долгосрочное потенцирование ), если постсинаптический нейрон продолжает стимулироваться, он адаптируется к тому, чтобы стать постоянно возбудимым (Поздняя долгосрочная потенциация). Это достигается путем изменения уровня выработки рецепторов AMPA, которые затем вставляются в мембрану синапса.

Имеются данные, свидетельствующие о том, что ветвление дендритов и созревание синапсов 1 (Dasm1), член суперсемейства Ig, участвует в созревании синапсов, по существу «пробуждая» молчащие синапсы.

Конкурирующие гипотезы

Характеристика безмолвных синапсов - постоянная область исследований, и есть много вещей о них, которые еще не известны. Некоторые из того, что в настоящее время принято о свойствах безмолвных синапсов, все еще может оказаться неверным полностью или частично. Однако некоторые споры о безмолвных синапсах улажены. Например, до недавнего времени существовало четыре конкурирующие гипотезы о механизмах молчания синапсов:[6]

  • Гипотеза «шепчущего синапса»:
    • Синапс, который высвобождает глутамат медленнее, чем обычно, таким образом активируя только высокоаффинные рецепторы NMDA, но не низкоаффинные рецепторы AMPA.
  • Гипотеза синапса "низкого Pr":
    • Синапс, который технически не является молчаливым, но кажется таковым, потому что он имеет настолько низкую пресинаптическую вероятность высвобождения, что он редко активируется.
  • Гипотеза «перетока глутамата»:
    • Синапс, который не высвобождает свой пресинаптический глутамат, но в котором постсинапс обнаруживает низкие концентрации глутамата, «переливающиеся» из соседних синапсов. Только NMDAR с высоким сродством, но не AMPAR с низким сродством, могут обнаружить этот низкий уровень глутамата.
  • Гипотеза «отсутствия рецептора AMPA»
    • Синапс, в котором отсутствуют постсинаптические рецепторы AMPA.

У всех четырех гипотез были свои сторонники, но первые три были в значительной степени исключены как механизм молчания синапсов в работах, опубликованных до 2008 года.[7] Однако недавние эксперименты четко установили, что молчащие синапсы могут наблюдаться в синапсах ствола мозга, несущих постсинаптические рецепторы AMPA.[8] Это исследование поддерживает гипотезу распространения глутамата, показывая, что в молчащих синапсах концентрация глутамата снижается. По крайней мере, это исследование показывает, что популярная гипотеза о постсинаптических безмолвных синапсах применима не ко всем системам.

Интеграция с другими темами

Роль тихих синапсов в долгосрочном потенциале

  • Многие механизмы, участвующие в Долгосрочное потенцирование похожи, если не идентичны тем, которые участвуют в активации тихих синапсов.[9] Оба процесса требуют привлечения рецепторов AMPA к синапсу.

Нейронное развитие

  • В процессе разработки есть определенные критические периоды где сенсорный ввод необходим для правильного развития.[10] Это необходимо для сенсорных, моторных и когнитивных функций. Активация тихих синапсов помогает создать нейронные сети необходимо для этого развития.[11]

Торговля рецепторами AMPA

  • Поскольку тихие синапсы активируются вставкой AMPAR, торговля этими рецепторами весьма применима. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что основным источником рекрутирования рецепторов AMPA в долгосрочной потенциации является путь эндоцитоза / рециклинга,[12] но есть также свидетельства того, что латеральная мембранная диффузия из внесинаптических областей также могут способствовать привлечению AMPAR.[13]

Смотрите также

Рекомендации


  1. ^ Purves, Дейл (2007). Неврология, четвертое издание. Sinauer Associates. С. 193–5.
  2. ^ Куллманн Д.М. (май 1994 г.). «Колебания амплитуды двухкомпонентных EPSC в пирамидных клетках гиппокампа: последствия для долгосрочной потенциации». Нейрон. 12 (5): 1111–20. Дои:10.1016/0896-6273(94)90318-2. PMID  7910467.
  3. ^ Ляо Д., Хесслер Н.А., Малинов Р. (июнь 1995 г.). «Активация постсинаптически молчаливых синапсов во время индуцированного спариванием LTP в области CA1 гиппокампа». Природа. 375 (6530): 400–4. Bibcode:1995 Натур. 375..400л. Дои:10.1038 / 375400a0. PMID  7760933.
  4. ^ Исаак Дж. Т., Николл Р. А., Маленка Р. К. (август 1995 г.). «Доказательства молчаливых синапсов: последствия для экспрессии LTP». Нейрон. 15 (2): 427–34. Дои:10.1016/0896-6273(95)90046-2. PMID  7646894.
  5. ^ Керчнер Г.А., Николл Р.А. (ноябрь 2008 г.). «Тихие синапсы и появление постсинаптического механизма ДП». Обзоры природы. Неврология. 9 (11): 813–25. Дои:10.1038 / номер 2501. ЧВК  2819160. PMID  18854855.
  6. ^ Воронин Л.Л., Керубини Э. (май 2004 г.). "'Глухие, немые и шепчущие «безмолвные синапсы: их роль в синаптической пластичности». Журнал физиологии. 557 (Чт 1): 3–12. Дои:10.1113 / jphysiol.2003.058966. ЧВК  1665055. PMID  15034124.
  7. ^ Монтгомери Дж. М., Павлидис П., Мэдисон Д. В. (март 2001 г.). «Парные записи выявляют безмолвные синаптические связи и постсинаптическое выражение долговременной потенциации». Нейрон. 29 (3): 691–701. Дои:10.1016 / S0896-6273 (01) 00244-6. PMID  11301028.
  8. ^ Balland B, Lachamp P, Kessler JP, Tell F (апрель 2008 г.). «Тихие синапсы в развивающихся солитарных ядрах крыс имеют рецепторы AMPA». Журнал неврологии. 28 (18): 4624–34. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.5355-07.2008. ЧВК  6670440. PMID  18448639.
  9. ^ Baltaci SB, Mogulkoc R, Baltaci AK (февраль 2019 г.). «Молекулярные механизмы ранней и поздней ДП». Нейрохимические исследования. 44 (2): 281–296. Дои:10.1007 / s11064-018-2695-4. PMID  30523578.
  10. ^ Канольд ПО, Дэн Р., Мэн Х (2019). «Интегративная функция тихих синапсов на субпластинчатых нейронах при развитии и дисфункции коры». Границы нейроанатомии. 13: 41. Дои:10.3389 / fnana.2019.00041. ЧВК  6476909. PMID  31040772.
  11. ^ Хуан Икс (март 2019 г.). «Тихий синапс: новый игрок в пластичности критического периода зрительной коры». Фармакологические исследования. 141: 586–590. Дои:10.1016 / j.phrs.2019.01.031. PMID  30659896.
  12. ^ Парк М (2018). «Торговля рецепторами AMPA для постсинаптической потенциации». Границы клеточной неврологии. 12: 361. Дои:10.3389 / fncel.2018.00361. ЧВК  6193507. PMID  30364291.
  13. ^ Kneussel M, Hausrat TJ (март 2016 г.). "Резервные пулы постсинаптических рецепторов нейротрансмиттеров для синаптической потенциации". Тенденции в неврологии. 39 (3): 170–182. Дои:10.1016 / j.tins.2016.01.002. PMID  26833258.

внешняя ссылка