Чем сильнее шипован мозг, тем острее память

Зачем нейрону дендриты, а дендритам шипики

Многие нервные клетки похожи на кусты или деревья: их выходной отросток, аксон, — тонкий корешок этого дерева, все остальные многочисленные отростки — дендриты. Дендриты обычно отходят от тела клетки в виде толстых стволов, которые затем делятся на несколько более тонких ветвей, те, в свою очередь,— на еще более тонкие и т. д. Длина дендритов в десятки раз превышает диаметр нервных клеток, а толщина концевых веточек очень мала — может составлять доли микрометра. Вопрос о том, какую роль играют дендриты в работе нервных клеток, до сих пор окончательно не решен и, скорее всего, у разных нейронов их роль различна. В частности, у одних клеток мембрана дендритов невозбудима и может передавать сигналы только электротонически, как пассивный кабель, а у других — дендриты способны проводить ПД. Сейчас мы рассмотрим только те свойства дендритов, которые связаны с их геометрией.

Рассмотрим сначала те клетки, у которых дендриты невозбудимы. В этом случае «проблема дендритов» состоит в следующем. Синаптические окончания встречаются на самых разных частях дендритного дерева. Возьмем синапс, действующий на веточку, максимально удаленную от тела клетки. В этом случае условия для передачи электрического сигнала представляются весьма невыгодными. Действительно, в тонкой веточке велика константа затухания, а своим концом веточка «впадает» в более широкий участок дендрита, который «закорачивает» ее. В таких закороченных кабелях потенциал спадает особенно сильно, правда, в случае дендритов «закорачивание» является неполным и потенциал в конце веточки спадает не до нуля. В следующем отрезке дендрита условия для передачи сигнала тоже неблагоприятные, так как на его конце тоже находится более толстый дендритный ствол, и т. д. « В связи с этим возникло представление, что синапсы, расположенные на удаленных веточках, дают очень малый вклад в изменение потенциала тела клетки, в сотни раз меньший, чем такие же синапсы на теле клетки. Получается, что синапсы на конечных дендритных веточках бесполезны, что это «ошибка природы».

Один из вариантов решения «проблемы дендритов» состоит в том, что на тонких концевых веточках можно разместить много синапсов, тогда совместное действие этих синапсов будет заметно в теле клетки. Но для этого надо, чтобы все эти синапсы работали более или менее одновременно.

Все вышеприведенные рассуждения долгое время носили качественный характер. В 1965 г. в Теоретическом отделе Института биофизики АН СССР был разработан способ количественной оценки эффективности синапсов для нервных клеток любой формы и рассчитана эта эффективность для мотонейронов, пирамидных клеток коры и клеток мозжечка. Оказалось, что эффективность дендритных синапсов всего в 3—5 раз ниже, чем у синапсов, расположенных на теле нейрона. Чем это объясняется? Почему эффективность удаленных дендритных синапсов оказалось довольно велика? Чем меньше клетка, чем выше ее входное сопротивление, тем больший сдвиг потенциала создает синапс. У тоненьких дендритных веточек, удаленных от тела клетки, входное сопротивление оказалось большим, поэтому синапсы могут создавать в этих веточках сдвиги потенциала в десятки раз большие, чем в теле нейронов. И хотя при распространении к телу этот сдвиг потенциала действительно сильно затухает, его большая величина в значительной мере компенсирует затухание. Таким образом, дендритные синапсы оказались вовсе не ошибкой природы.

Читайте также:  Поиск микрокальцинатов в молочной железе теперь не проблема - Сургутская окружная клиническая больни

А теперь рассмотрим те нейроны, дендриты которых обладают возбудимой мембраной, способной к генерации ПД, У таких нейронов высокая эффективность синапса на тонкой веточке может привести к тому, что всего несколько синапсов доведут мембранный потенциал до порога и вызовут в этой веточке ПД, который начнет распространяться к телу клетки.

Его дальнейшая судьба зависит от свойств узлов ветвления, через которые ему надо пройти по пути к телу клетки, т. е. от геометрии дендрита. Клетка такого типа работает как сложная логическая схема. Пример такой клетки был приведен на рис, 45; эта клетка обнаруживает однонаправленные движения стимула. Клетки с более сложной формой дендритов могут работать как довольно хитрые вычислительные машины. «Такая система подобна системе голосования с большим числом участников, которые имеют неодинаковое число голосов. Окончательный результат, конечно, зависит от общего числа голосов, поданных «за» или «против», однако он в не меньшей степени зависит и от того, кто именно и вместе с кем из партнеров голосует»,— писали сотрудники Теоретического отдела Института биофизики АН СССР в 1966 г.

На дендритах многих нейронов имеются особые образования, так называемые шипики. Это структуры, похожие на грибы и состоящие из головки на тонкой ножке, которую чаще называют шейкой шипика. Шипик представляет собой выпячивание клеточной мембраны, а к его головке подходит терминаль от другого нейрона и образует на ней химический синапс.

Зачем нужны шипики — неизвестно. Число гипотез об их функциях огромно. Давайте посмотрим, что можно сказать о возможных функциях шипиков, исходя из геометрических соображений. При этом рассмотрим два ра-рианта: мембрана головки шипика невозбудима; мембрана головки шипика способна к генерации ПД.

Пусть шипик невозбудим. Его тоненькая шейка имеет высокое сопротивление. В результате в головке будет возникать большой постсинаптический потенциал, но его заметная часть будет теряться в шейке. Шипик будет работать как тоненькая дендритная веточка. Но зачем нужно такое устройство? Почему бы синапсу не располагаться прямо на дендрите?

Одним из способов работы тормозных синапсов является снижение входного сопротивления нейрона. Но ведь и возбуждающие синапсы тоже открывают ионные каналы и снижают входное сопротивление! Из-за этого возбуждающие синапсы тоже мешают друг другу. Особенно сильна такая помеха будет на тонких дендритах, у которых очень высоко входное сопротивление, так что активация нескольких синапсов вызовет заметное его снижение. Шипики должны существенно снижать взаимное влияние соседних синапсов, которые в этом случае отделены друг от друга шейками с высоким сопротивлением. Расчеты подтвердили, что хотя шипиковые синапсы каждый по отдельности менее эффективны, чем синапсы, расположенные прямо на дендрите, но при совместной работе эффект заметно выше.

Если же мембрана шипика возбудима, то он может работать как усилитель синаптической передачи. Из-за тонкости шейки входное сопротивление шипика очень велико и один синапс может вызвать в головке ПД, который пошлет в дендрит гораздо более сильный электрический ток, чем ток синапса. Интересно, что при таком режиме работы шипика должно существовать оптимальное сопротивление его шейки. Оно не должно быть слишком маленьким — тогда заметная часть синаптического тока будет утекать в дендритную веточку, сдвиг потенциала на мембране головки шипика не достигнет порогового значения и там не возникнет ПД. Но, с другой стороны, сопротивление шейки шипика не должно быть и слишком большим, иначе из головки шипика в дендрит будет течь слишком слабый ток и никакого усиления синаптического тока не получится. Недавно появились работы, показывающие, что геометрическая структура реальных шипиков близка к той,, которая по теоретическим расчетам является оптимальной.

Читайте также:  Обзор эндокринных опухолей поджелудочной железы (Overview of Pancreatic Endocrine Tumors) - Заболева

До сих пор мы говорили о форме волокон и клеток или даже микроструктур клеток — шипиков. Посмотрим теперь на геометрию клеточных объединений.

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.

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.

См. также

  • Дендрит
  • Синапс
  • Двухфотонный лазерный микроскоп

Внешние ссылки

  • Трехмерная организация синапсов и астроглии в гиппокампе крыс и сусликов.

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Дендритный шипик. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

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.

Читайте также:  Хирургическое лечение новорожденного ребенка с Аномалией Денди Уокера - НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР СП

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.

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)

Ссылка на основную публикацию
Чем полоскать зуб при боли
Чем снять зубную боль в домашних условиях - препаратами и народными средствами. Как снять зубную боль дома Любой человек, которого...
Чем опасны выделения при гематоме при беременности коричневые и бежевые
Фото сгустков при беременности Женщина с особым трепетом относится к известию о собственной беременности. Внутри нее начинает развиваться новая жизнь,...
Чем опасны гормональные мази и крема для лица показания к применению, побочные эффекты, классификаци
Чем опасны гормональные мази? Мазь на основе гормонов: быстрый эффект или кратковременное явление? Чудодейственное оружие, которое поможет справиться с рядом...
Чем полоскать полость рта при воспалении десен и от запаха LISTERINE® (ЛИСТЕРИН®)
Как лечить воспаление десен в домашних условиях Красные кровоточащие десны, болезненность при надавливании – типичные признаки гингивита. Заболевание встречается у...
Adblock detector