Перинейрональная сеть - Perineuronal net

A. Перинейрональные сети состоят из протеогликанов хондроитинсульфата (CSPG). Здесь, CSPGs neurocan , версикано , brevican и аггреканно являются нековалентно связаны с гиалуроновой кислотой . Ассоциации происходят между другими CSPG через тенасцин (Т, треугольники). Тенасцин, в свою очередь, связывается с гликозаминогликанами CS (красные линии), а также с CSPG на поверхности клетки. Фосфакан также может связываться с рецепторами клеточной поверхности, такими как NCAM. B. Применение хондроитиназы ABC (ChABC) разрушает все гликозаминогликаны CS (красные линии), а также гиалуронан (розовая линия), вызывая серьезные нарушения в структуре перинейрональной сети. Эти нарушения могут позволить аксонам проникнуть в освободившееся пространство и восстановить пластичность нейронов.

Перинейрональные сети ( PNN ) - это специализированные структуры внеклеточного матрикса, отвечающие за синаптическую стабилизацию во взрослом мозге. PNN находятся вокруг тел определенных нейронов и проксимальных нейритов в центральной нервной системе . PNN играют решающую роль в завершении критического периода детства , и их переваривание может вызвать восстановление синаптической пластичности, подобной критическому периоду, в мозге взрослого человека. Они в значительной степени заряжены отрицательно и состоят из протеогликанов хондроитинсульфата , молекул, которые играют ключевую роль в развитии и пластичности во время постнатального развития и у взрослых.

PNN, по-видимому, в основном присутствуют в коре головного мозга , гиппокампе , таламусе , стволе мозга и спинном мозге . Исследования головного мозга крысы показали, что кора головного мозга содержит большое количество PNN в моторной и первичной сенсорной областях и относительно меньше в ассоциативной и лимбической областях коры. В коре PNNS связаны в основном с тормозными интернейронов и, как считается, отвечает за поддержание возбуждающую / тормозящее баланс в мозге взрослого.

История

О существовании PNN предположили Гольджи , Лугаро, Донаджио, Мартинотти, Рамон-и-Кахаль и Мейер. Тем не менее, Рамон-и-Кахаль приписывает Гольджи открытие PNN, потому что он первым привлек к ним внимание и дал первое точное описание в 1893 году. Более того, Гольджи вызвал интерес к этому предмету из-за своего мнения, что PNN не была нейронной. структура, а скорее «своего рода корсет из нейрокератина, который препятствовал распространению тока от клетки к клетке». Несмотря на споры по этой теме, Рамон-и-Кахаль утверждал, что перинейрональная сеть была просто артефактом окрашивания, полученным в результате коагуляции внеклеточных жидкостей. Из-за его влиятельного мнения в то время интерес к теме утих.

Интерес возник в 1960-х, когда несколько авторов обратили внимание на присутствие Шифф -положительного по периодической кислоте (PAS-положительного) материала, окружающего нервные клетки. Предполагалось, что этот PAS-положительный материал состоит из отрицательно заряженных веществ, таких как хондроитинсульфат протеогликаны (CSPG). Однако авторы придерживались идеи, что этот материал замысловато связан с гематоэнцефалическим барьером, и не смогли увидеть сходства, которое он имел с перинейрональной сетью, описанной Гольджи. Интерес вновь возрос только в последние несколько десятилетий, когда было обнаружено, что PNN являются маркерами физиологически зрелых нейронов.

Состав

PNN состоят из конденсированной матрицы протеогликанов хондроитинсульфата , молекул, которые состоят из основного белка и цепи гликозаминогликана (GAG). Цепи CS-GAG, связанные с PNN, отличаются от цепей, обнаруженных во внеклеточном матриксе в неконденсированной форме. PNNS состоит из brevican , neurocan , версикано , аггрекан , phosphacan , гиалуронано , тенасцина-R и различных соединительных белков. CSPG аггрекан, версикан, нейрокан, бревикан и фосфакан связаны с гиалуронаном. Многие компоненты PNN также выражаются в других формах ECM в головном мозге. Аггрекан избирательно экспрессируется в PNN и необходим для построения и поддержания PNN. PNN, обнаруженные как в головном, так и в спинном мозге, имеют одинаковый состав. Хондроитиназа ABC (ChABC), бактериальный фермент, обычно используемый для переваривания CSPG, работает, катализируя удаление цепей CS-GAG CSPG, поэтому он не является селективным по отношению к PNN. Мутантные мыши с дефицитом тенасцина-R или связующего белка имеют аттенуированные PNN,

В коре и других подкорковых областях PNN преимущественно окружают ГАМКергические интернейроны, содержащие кальций-связывающий белок парвальбумин . Наступление критического периода близко соответствует появлению парвальбумин-положительных клеток. Парвальбумин-положительные клетки синапсируют с рецепторами ГАМК- А, содержащими α1-субъединицу . Было показано, что рецепторы ГАМК А, содержащие α1-субъединицу, являются единственными рецепторами ГАМК А, которые определяют пластичность коры. По этой причине сначала считалось, что PNN играют важную роль в завершении критического периода .

Функции

Нейропротекция

В ЦНС взрослого человека требуется тонкая регуляция роста аксонов и дендритов, чтобы сохранить важные связи при сохранении структурной пластичности . Было установлено, что эта функция опосредуется несколькими белками, ассоциированными с миелином, и CSPG. Чтобы оценить физиологическую роль PNN в неповрежденной ЦНС, ChABC вводили в здоровый мозжечок взрослых крыс. В месте инъекции ChABC наблюдалось обильное разрастание терминальных ветвей нейронов клеток Пуркинье . Однако миелинизированные сегменты аксона не пострадали и остались нормальными. Прорастание аксона Пуркинье впервые было обнаружено через четыре дня после деградации CSPG. В течение 42 дней экспрессия CSPG постепенно восстанавливалась, после чего рост аксонов регрессировал, что указывает на отсутствие значительного образования стабильных синаптических контактов. Хотя CSPG очень важны для нейрозащиты, это указывает на то, что CSPG могут быть не единственными молекулами, важными для сохранения анатомической пластичности.

Ограничение подвижности рецептора AMPA

Белки клеточной поверхности, включая рецепторы нейротрансмиттеров , очень подвижны в плазматической мембране из-за боковой диффузии. Быстрые движения глутаматных рецепторов AMPA-типа (AMPAR) участвуют в модуляции синаптической передачи. Когда рецептор используется, он теряет чувствительность и не может эффективно работать в течение короткого периода времени. Диффузия десенсибилизированного рецептора для замены наивного функционального рецептора увеличивает синаптическую верность во время быстрой повторяющейся стимуляции. PNN разделяют поверхность нейронов и действуют как барьеры латеральной диффузии для AMPAR, ограничивая синаптический обмен. Это может быть одной из причин того, что синаптическая пластичность ограничивается, когда PNN становятся активными.

Система буферизации катионов

Большинство парвальбумин-положительных нейронов, окруженных PNN, также содержат субъединицу Kv3.1b калиевого канала. Эти специфические клетки были идентифицированы как клетки с быстрым выбросом. Эти нейроны имеют низкое входное сопротивление клеточной мембраны, высокий мембранный потенциал покоя , короткую продолжительность обоих потенциалов действия и рефрактерного периода , высокую частоту возбуждения и почти постоянную амплитуду их потенциалов действия. Похоже, что и каналы Kv3.1, и PNN необходимы для быстрого всплеска поведения этих нейронов. Эти калиевые каналы важны, потому что выходящие наружу калиевые токи ответственны за реполяризацию клеточной мембраны во время потенциала действия. Было показано, что токи Kv3.1 позволяют нейрону следовать за высокочастотной стимуляцией и / или генерировать высокие частоты возбуждения без адаптации к спайку, характеристики, которые хорошо подходят для клеток с быстрым спайком. Эта характеристика клеток важна, поскольку было показано, что блокада канала Kv3.1b снижает скорость пластичности глазного доминирования.

PNN с их сильно отрицательным зарядом могут служить катионообменниками, препятствуя свободной диффузии ионов калия или натрия. Из-за пространственных, временных и численных диспропорций между притоком Na + и оттоком K + , PNN обеспечивает возможную систему буферизации для внеклеточных катионов. Однако эту гипотезу еще предстоит доказать.

Роль в нейропластичности

PNN играют важную роль в нейропластичности . Травматическое повреждение ЦНС приводит к дегенерации денервированных и поврежденных нейронов, образованию глиального рубца и коллатеральному разрастанию выживших нейронов. Было показано, что PNN ингибируют регенерацию и рост аксонов. CSPG являются основными молекулами, тормозящими рост аксонов в глиальном рубце, которые играют роль в неспособности аксона регенерировать после повреждения. В головном мозге крыс и спинной мозге, выражение различной CSPGs ( brevican , версикано , neurocan и NG2 ) увеличивается после травмы. Обработка ChABC in vivo приводит к усилению регенерации аксонов (особенно дофаминергических нейронов) и способствует регенерации аксонов и функциональному восстановлению после повреждения спинного мозга.

CSPG и PNN также участвуют в ограниченной пластичности, присутствующей после повреждения ЦНС. В мозжечке крысы применение ChABC способствует структурной пластичности аксонов Пуркинье. После травмы спинного мозга крысы, получавшие ChABC, демонстрируют структурное и функциональное восстановление в виде увеличения роста аксонов на денервированной территории и восстановления двигательной функции и функции мочевого пузыря. Пластичность неповрежденных участков ствола головного и спинного мозга также увеличивается после травмы спинного мозга.

Пластичность глазного доминирования

Критический период является этапом , когда необходимое количество опыта , необходимое для правильной организации нервного пути. Отсутствие этого опыта может привести к постоянному образованию неправильных связей. Классической моделью критического периода была зрительная система . Обычно первичная зрительная кора головного мозга содержит нейроны, организованные в столбцы окулярного доминирования , причем группы нейронов реагируют преимущественно на один глаз или другой. Если доминантный глаз животного зашивают в раннем возрасте и держат его в течение критического периода зрения ( монокулярная депривация ), кора головного мозга постоянно реагирует преимущественно на глаз, который оставался открытым, что приводит к сдвигу глазного доминирования . Однако, если глаз ушивают после критического периода, смещения не происходит.

У крыс переваривание PNN с использованием бактериального фермента хондроитиназы ABC реактивирует критический период зрения. В частности, переваривание PNN в зрительной коре после закрытия критического периода (постнатальный 70-й день) реактивировало пластичность критического периода и позволяло происходить сдвигу окулярного доминирования. Однако эффекты монокулярной депривации в случае реактивации были не такими сильными, как монокулярная депривация в нормальный критический период. Кроме того, у взрослых крыс, лишенных монокулярности с молодости, переваривание PNN приводило к полному структурному и функциональному восстановлению (восстановлению глазного доминирования, остроты зрения и плотности дендритных шипов ). Однако это восстановление произошло только после того, как открытый глаз был зашит, чтобы позволить восстановиться кортикальному представительству лишенного глаза.

Страх воспоминаний

Условие страха у животных используется для моделирования тревожных расстройств, таких как посттравматическое стрессовое расстройство . Обусловливание страхом работает путем сочетания изначально нейтрального стимула с отвращающим стимулом, что приводит к длительным воспоминаниям о страхе. У взрослого животного обусловленность страхом вызывает постоянную память, устойчивую к стиранию путем исчезновения . После угасания условные реакции страха могут восстанавливаться спонтанно после повторного воздействия отталкивающего стимула. Напротив, в раннем постнатальном развитии исчезновение условной реакции страха приводит к стиранию памяти. Организация PNN в миндалине совпадает с этим переключением устойчивости памяти о страхе. У взрослых животных деградация PNN в миндалевидном теле с помощью ChABC делает впоследствии приобретенные воспоминания о страхе восприимчивыми к стиранию. Тренировка угасания была необходима для того, чтобы избавиться от поведения страха. Кроме того, на воспоминания о страхе, приобретенные до деградации сетей PNN, их деградация не повлияла.

Развивающее изучение песни

Развивающее обучение песне - это модель, используемая для сенсомоторного критического периода. Обучение пению птиц у зебрового вьюрка происходит в критический период, аналогичный тому, что происходит с человеческой речью. Этот критический период состоит из двух частей. Первый состоит из ранней фазы восприятия, на которой звуки просто запоминаются. За этим следует вторая сенсомоторная фаза, в которой обратная связь используется для формирования правильных звуков. В ядрах песни HVC более 80% PNN окружают парвальбумин- положительные нейроны. Наличие перинейрональных сетей предсказывает зрелость песни зебрового зяблика, а большая плотность PNN указывает на более зрелую песню и, вероятно, большую синаптическую стабильность. В отличие от критического периода зрения, обширное предварительное исследование показало, что деградация PNN с помощью ChABC не возобновляет критический период сенсомоторной пластичности. Это может быть связано с дополнительными усложняющими факторами, присутствующими в сенсомоторной системе по сравнению с чисто сенсорной системой. У людей осложнения в сенсомоторно-критическом периоде речи связаны с такими расстройствами, как аутизм . Повторное открытие критического периода у зебровых зябликов может привести к открытиям, ведущим к лечению этих заболеваний.

Роль в патологии ЦНС

Эпилепсия

Эпилепсия - это хроническое неврологическое заболевание, характеризующееся аномальной электрической активностью мозга. Эта аномальная электрическая активность приводит к увеличению пластических изменений, которые играют роль в патогенезе заболевания. После приступов наблюдается уменьшение фосфакан- и фосфакан-положительных PNN и увеличение расщепленного бревикана в височной доле и гиппокампе . Судороги также увеличивают количество полноразмерного нейрокана , CSPG, обнаруживаемого только в неонатальном мозге. Эта деградация CSPG и PNN может быть ответственной за повышенную пластичность, связанную с нарушением.

Инсульт

После инсульта наблюдается некоторая повышенная пластичность, что приводит к восстановлению некоторых функций. В модели на крысах после поражения коры происходит уменьшение PNN в области, окружающей инфаркт. В частности, происходит уменьшение в CSPGs аггрекан , версикан и phosphacan и накопление полной длины neurocan . Это подавление PNN также происходит в таких отдаленных областях мозга, как таламус . Деградация PNN может быть причиной повышенной пластичности, наблюдаемой после инсульта. Одна из проблем с типичным восстановлением после инсульта заключается в том, что типичный период повышенной пластичности, как правило, недостаточен для приемлемого восстановления функций у пациентов с инсультом. Одна из возможных стратегий лечения может заключаться в деградации PNN на более длительный период времени, чтобы обеспечить лучшее восстановление.

Болезнь Альцгеймера

По-видимому, CSPG играют несколько ролей при болезни Альцгеймера . PNN могут обеспечивать защиту от эксайтотоксичности , окислительного стресса и образования нейрофибриллярных клубков . Были противоречивые сообщения о количестве PNN в мозге человека, страдающего болезнью Альцгеймера, при этом в некоторых исследованиях сообщалось о снижении, а в других - об отсутствии изменений. Нет четкого консенсуса в отношении восприимчивости парвальбумин- положительных нейронов, большинства нейронов, окруженных PNN. Однако было обнаружено, что PNN локализуются как в амилоидных бляшках, так и в нейрофибриллярных клубках . Поскольку амилоидные бляшки участвуют в прогрессировании болезни Альцгеймера, это предполагает, что PNN либо способствуют их образованию, либо являются реакцией на их образование. Исследования in vitro показали, что CSPG способствуют образованию бета-амилоидных фибрилл. Поскольку бета-амилоид является сильным стимулятором продукции CSPG, а CSPG ингибируют рост нейронов и синаптическую пластичность, это может привести к снижению плотности аксонов и потере синапсов при болезни Альцгеймера.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Флорес, CE; Мендес, П. (2014). «Формирование ингибирования: зависимая от активности структурная пластичность ГАМКергических синапсов» . Границы клеточной неврологии . 8 : 327. DOI : 10,3389 / fncel.2014.00327 . PMC  4209871 . PMID  25386117 .
  2. ^ Б с д е е г ч Galtrey, CM; Фосетт, JW (2007). «Роль протеогликанов хондроитинсульфата в регенерации и пластичности центральной нервной системы». Обзоры исследований мозга . 54 (1): 1–18. DOI : 10.1016 / j.brainresrev.2006.09.006 . PMID  17222456 . S2CID  13913614 .
  3. ^ a b c Hensch, TK (2005). «Пластичность критического периода в местных корковых цепях. [Обзор]». Обзоры природы Неврология . 6 (11): 877–888. DOI : 10.1038 / nrn1787 . ЛВП : 10533/174307 . PMID  16261181 . S2CID  5264124 .
  4. ^ Селио, MR; Spreafico, R .; De Biasi, S .; Вителларо-Цуккарелло, Л. (1998). «Перинейрональные сети: прошлое и настоящее». Тенденции в неврологии . 21 (12): 510–515. DOI : 10.1016 / s0166-2236 (98) 01298-3 . PMID  9881847 . S2CID  28557831 .
  5. ^ Роулендс, Дайре; Lensjø, Kristian K .; Динь, Тови; Ян, Суджон; Эндрюс, Мелисса Р .; Хафтинг, Торкель; Файн, Марианна; Фосетт, Джеймс У .; Дик, Гуннар (21.11.2018). «Аггрекан направляет нейрональную пластичность, опосредованную внеклеточным матриксом» . Журнал неврологии . 38 (47): 10102–10113. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.1122-18.2018 . ISSN  0270-6474 . PMC  6596198 . PMID  30282728 .
  6. ^ Дипа, СС; Carulli, D .; Galtrey, C .; Родос, К .; Fukuda, J .; Миками, Т .; Фосетт, JW (2006). «Состав перинейрональной сети внеклеточного матрикса в мозге крысы» . Журнал биологической химии . 281 (26): 17789–17800. DOI : 10,1074 / jbc.m600544200 . PMID  16644727 .
  7. ^ Моррис, Н. П.; Хендерсон, З. (2000). «Перинейрональные сети обволакивают парвальбумин-иммунореактивные нейроны в комплексе медиальной перегородки / диагональной полосы». Eur J Neurosci . 12 (3): 828–38. DOI : 10,1046 / j.1460-9568.2000.00970.x . PMID  10762312 . S2CID  22232630 .
  8. ^ Мэйн, ЧП; Бёрн, THJ (апрель 2019 г.). «Витамин D в синаптической пластичности, когнитивных функциях и нервно-психических заболеваниях». Тенденции в неврологии . 42 (4): 293–306. DOI : 10.1016 / j.tins.2019.01.003 . PMID  30795846 . S2CID  73479985 .
  9. ^ a b Corvetti, L .; Росси, Ф. (2005). «Деградация хондроитинсульфатных протеогликанов вызывает прорастание интактных аксонов Пуркинье в мозжечке взрослой крысы» . J. Neurosci . 25 (31): 7150–7158. DOI : 10.1523 / jneurosci.0683-05.2005 . PMC  6725229 . PMID  16079397 .
  10. ^ Frischknecht, R .; Heine, M .; Perrais, D .; Seidenbecher, CI; Choquet, D .; Gundelfinger, ED (2009). «Внеклеточный матрикс мозга влияет на боковую подвижность рецептора AMPA и краткосрочную синаптическую пластичность. [10.1038 / nn.2338]». Nat Neurosci . 12 (7): 897–904. DOI : 10.1038 / nn.2338 . PMID  19483686 . S2CID  1005267 .
  11. ^ a b Hartig, W .; Derouiche, A .; Welt, K .; Брауэр, К .; Grosche, J .; Mader, M .; и другие. (1999). «Кортикальные нейроны, иммунореактивные по отношению к субъединице Kv3.1b калиевого канала, преимущественно окружены перинейрональными сетями, которые считаются буферной системой для катионов. [Статья]». Исследование мозга . 842 (1): 15–29. DOI : 10.1016 / s0006-8993 (99) 01784-9 . PMID  10526091 . S2CID  19980614 .
  12. ^ Родос, KE; Фосетт, JW (2004). «Протеогликаны сульфата хондроитина: предотвращение пластичности или защита ЦНС? [Обзор]» . Журнал анатомии . 204 (1): 33–48. DOI : 10.1111 / j.1469-7580.2004.00261.x . PMC  1571240 . PMID  14690476 .
  13. ^ Сильвер, J .; Миллер, Дж. Х (2004). «Регенерация за пределами глиального шрама. [10.1038 / nrn1326]» . Nat Rev Neurosci . 5 (2): 146–156. DOI : 10.1038 / nrn1326 . PMID  14735117 .
  14. ^ Пиццоруссо, Т .; Medini, P .; Berardi, N .; Chierzi, S .; Фосетт, JW; Маффеи, Л. (2002). «Реактивация пластичности глазного доминирования в зрительной коре взрослого человека. [Статья]». Наука . 298 (5596): 1248–1251. Bibcode : 2002Sci ... 298.1248P . DOI : 10.1126 / science.1072699 . PMID  12424383 . S2CID  14254863 .
  15. ^ Пиццоруссо, Т .; Medini, P .; Landi, S .; Baldini, S .; Berardi, N .; Маффеи, Л. (2006). «Структурное и функциональное восстановление после ранней монокулярной депривации у взрослых крыс» . Труды Национальной академии наук . 103 (22): 8517–8522. Bibcode : 2006PNAS..103.8517P . DOI : 10.1073 / pnas.0602657103 . PMC  1482523 . PMID  16709670 .
  16. ^ Гоголла, N .; Caroni, P .; Lüthi, A .; Херри, К. (2009). «Перинейрональные сети защищают воспоминания о страхе от стирания». Наука . 325 (5945): 1258–1261. Bibcode : 2009Sci ... 325.1258G . DOI : 10.1126 / science.1174146 . PMID  19729657 . S2CID  206520056 .
  17. ^ Балмер, TS; Карелс, ВМ; Frisch, JL; Ник, Т.А. (2009). «Модуляция перинейрональных сетей и парвальбумина с развивающим изучением песни» . Журнал неврологии . 29 (41): 12878–12885. DOI : 10.1523 / jneurosci.2974-09.2009 . PMC  2769505 . PMID  19828802 .
  18. ^ Моримото, К .; Fahnestock, M .; Расин, Р.Дж. (2004). «Киндлинг и эпилептический статус модели эпилепсии: перестройка мозга». Прогресс нейробиологии . 73 (1): 1–60. DOI : 10.1016 / j.pneurobio.2004.03.009 . PMID  15193778 . S2CID  36849482 .
  19. ^ Бидмон, HJ; Jancsik, V .; Schleicher, A .; Hagemann, G .; Витте, OW; Woodhams, P .; Зиллес, К. (1997). «Структурные изменения и изменения цитоскелетных белков и протеогликанов после очаговой корковой ишемии». Неврология . 82 (2): 397–420. DOI : 10.1016 / s0306-4522 (97) 00289-3 . PMID  9466450 . S2CID  42361088 .
  20. ^ Кобаяши, К .; Эмсон, ПК; Маунтджой, CQ (1989). «Лектин-положительные нейроны Vicia villosa в коре головного мозга человека. Потеря при деменции типа Альцгеймера». Исследование мозга . 498 (1): 170–174. DOI : 10.1016 / 0006-8993 (89) 90416-2 . PMID  2790470 . S2CID  37981595 .
  21. ^ Baig, S .; Wilcock, G .; Любовь, С. (2005). «Потеря перинейрональной сети <i> N </i> -ацетилгалактозамина при болезни Альцгеймера» . Acta Neuropathologica . 110 (4): 393–401. DOI : 10.1007 / s00401-005-1060-2 . PMID  16133543 . S2CID  27218812 .
  22. ^ Брюкнер, G .; Hausen, D .; Härtig, W .; Drlicek, M .; Арендт, Т .; Брауэр, К. (1999). «Области коры, богатые протеогликанами хондроитинсульфата внеклеточного матрикса, менее подвержены изменениям цитоскелета при болезни Альцгеймера». Неврология . 92 (3): 791–805. DOI : 10.1016 / s0306-4522 (99) 00071-8 . PMID  10426522 . S2CID  24281926 .