О мышах, людях и канделябрах. Перевод обзора из PLoS Biology
Перевод обзора
Woodruff A, Yuste R (September 2008). "Of Mice and Men, and Chandeliers". PLoS Biol. 6 (9): e243. doi:10.1371/journal.pbio.0060243. PMID 18816168. PMC: 2553849.
В обзоре описывается краткая история исследований уникальных клеток-канделябров, недавние громкие открытия, показавшие, что эти ГАМКергические нейроны способны возбуждать пирамидальные клетки, и последняя работа, появившаяся в том же номере PLoS Biology, в которой показывается, что, возможно, клетки-канделябры позволяют "вспышке" одного нейрона распространяться на довольно большие расстояния, и это может определять некоторые особенности работы нашего мозга. Для исследования были взяты участки здоровой коры пациентов, изъятые при нейрохирургических операциях.
Вот само исследование:
Molnár G, Oláh S, Komlósi G, Füle M, Szabadics J, Varga C, Barzó P, Tamás G (September 2008). "Complex events initiated by individual spikes in the human cerebral cortex". PLoS Biol. 6 (9): e222. doi:10.1371/journal.pbio.0060222. PMID 18767905. PMC: 2528052.Full text at PMC: 2528052
Перевод обзора:
"Что делает нас людьми? Один из самых очевидных ответов на этот древний вопрос - в том, что некие особенности структуры и функционирования центральной нервной системы человека, в первую очередь неокортекса, отличают человека от других животных. Мы не только обладаем пропорционально крупнейшим среди млекопитающих неокортексом, но и имеем самые крупные лобные доли, отвечающие за высшие когнитивные функции.
В поисках свидетельств, способных пролить свет на биологический базис человека, нейроанатомы издавна сравнивали человеческий мозг с мозгом других видов, и в результате возникли две отдельные теории. Сантьяго Рамон-и-Кахаль, отец нейроанатомии, утверждал, что у "высших" млекопитающих, таких как человек, в кортексе содержится больше классов нейронов по сравнению с "низшими", и в качестве примера приводил мышь.[1] В частности, он предположил, что разнообразие "короткоаксонных" клеток, т.е. ГАМКергических ингибиторных интернейронов, и степень утонченности их характеристик, всё более увеличиваются при движении вверх по эволюционной лестнице.[2]
Альтернативная позиция - то, что межвидовые различия кроются не в вариации типов клеток, а в размере и сложности сетей - нашла поддержку у ученика Кахаля, Рафаэля Лоренте де Но, который, как многие лучшие ученики, пошёл наперекор выученному. Избрав мышь своей экспериментальной системой при написании диссертации в нежном возрасте двадцати лет, Лоренте смог описать столько же типов нейронов в ее неокортексе, сколько было описано Кахалем у человека. Кахаль вежливо опубликовал труд Лоренте в своём журнале, не внося правок, но сообщил своему ученику, что тот заблуждается. Спор продолжался до самой смерти Кахаля: уже прикованный к постели, в 1934 году он увещевал Лоренте в письме: "мышь - плохой объект для изучения кортикальных сетей, у неё слишком мало короткоаксонных клеток".
Одним из наиболее отчетливых типов аксо-аксональных клеток, или ГАМКергических интернейронов, присутствующих в кортикальных сетях млекопитающих, являются "клетки-канделябры". Их выделяет аксональное ветвление с типичными параллельными массивами пресинаптических терминалей, выстроенных короткими вертикальными линиями (т.н. "картриджи"), напоминающими свечи в старомодном канделябре (рис. 1). Клетки-канделябры составляют малую часть всех ГАМКергических интернейронов[5]- их не заметили ни Кахаль, ни Лоренте, и лишь в 1974 году исследователи Szentagothai и Arbib описали их как отдельный подтип[6]. Похожий нейрон, также с параллельными массивами терминалей (клетка 4 типа), был описан Джонсом примерно в то же время.[7] Рассмотрев форму их терминалей, Szentagothai посчитал, что клетки-канделябры образуют массивы синапсов с апикальными дендритами пирамидальных клеток.[8] Через два года его ученик Peter Somogyi, исследуя под электронным микроскопом схожие по форме нейроны, отметил их связь с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток, и назвал этот новый по его мнению тип "аксо-аксональными клетками" (Axo-Axonic Cells, AAC).[9] Уникальное аксо-аксональное соединение было позже подтверждено Fairen и Valverde[10] и DeFilipe et al.,[11] который предположил, что AAC на самом деле и есть канделяберные нейроны. С тех пор оба названия используются в научной литературе на равных правах.
(Реконструкция клетки-канделябра из среза мозга мыши, Alan Woodruff и Rafael Yuste, PLoS Biology)
Выдающиеся морфологические особенности клеток-канделябров захватили воображение исследователей кортекса, их часто используют для иллюстрации очевидной целенаправленности устройства микросетей коры. Под влиянием ГАМКергических канделяберных клеток находится множество пирамидальных нейронов, причем воздействию подвергается важный участок - начальный сегмент аксона, место генерации потенциала действия. Казалось бы, для клеток-канделябров стратегически идеальна роль кортикального выключателя, способного останавливать целые группы возбудительных глутаматергических нейронов.
До начала 21 века клетки-канделябры оставались малоисследованными, как по вине своей малочисленности, так и из-за отсутствия специфических нейрохимических либо физиологических маркеров. Время от времени осуществлялась запись активности канделяберных нейронов in vitro[12,13] и in vivo[14,15], давшие знание о их активности в качестве интернейронов. Однако в 2006 году в журнале Science появилась статья Gabor Tamás et al.,[16] перевернувшая многие представления. Габор Тамаш, ученик Peter Somogyi, когда-то разглядевшего необычный характер связей клеток-канделябров, утверждал, что эти клетки могут не только ингибировать, но и возбуждать пирамидальные клетки, что еще более уникально для ГАМКергических нейронов. Удивительно - один потенциал действия клетки-канделябра напрямую вызывал спайки во множестве постсинаптических пирамидальных нейронов, обеспечивая высокоточный механизм передачи сигнала в локальной кортикальной микросети. Простимулировав спайки в пирамидальных клетках, можно получить обратную связь - клетки-канделябры отреагируют возбудительной активностью, а это своеобразный физиологический маркер, позволяющий выделить хотя бы некоторые из них среди других интернейронов. Вероятно, похожее явление возбудительной обратной связи было отмечено в клетках-канделябрах гиппокампа десять лет назад,[12] а недавно было описано в амигдале,[17] следовательно, возбудительная роль клеток-канделябров может быть широко распространена.
В попытке объяснить возбуждающую активность клеток-канделябров, Тамаш с коллегами утверждают, что ГАМК потенциал реверсии (EGABA) более деполяризован в аксоне, чем в других частях нейрона, из-за недостатка котранспортера хлорида калия KCC2, выталкивающего хлорид во внеклеточное пространство. Однако простого недостатка котранспортера может оказаться недостаточно для поддержания столь сильного EGABA-градиента между аксоном и сомой. Проведённое недавно исследование с использованием методики GABA uncaging продемонстрировало деполяризующий сдвиг в потенциале реверсии EGABA от дендрита к соме, а затем к аксону, и, более того - показало, что высокая аксональная экспрессия хлорид-импортера NKCC1, возможно, вдобавок к недостатку KCC2, может поддерживать деполяризованный EGABA.[18]
(RuBi-GABA-uncaging: лазерные импульсы высвобождают ГАМК из комплекса с рутением, это даёт возможность картировать реакции индивидуального нейрона на нейротрансмиттер)
В настоящем номере PLoS Biology, Molnar et al., осуществив технический tour de force, расширили свои находки, относящиеся к клеткам-канделябрам. При записи активности с образцов, взятых при хирургии, впервые были идентифицированы пары соединенных нейронов в тканях мозга человека, и авторы исследовали их синаптические и электросетевые свойства.[19] Двойная запись активности соединенных клеток в настоящее время является золотым стандартом в нейрофизиологии электрических связей, ведь она позволяет проводить физиологический анализ эффекта активации единичных аксонов, а, следовательно, функционально изолировать элементарные синаптические реакции "от нейрона к нейрону". [20,21]
Molnar et al. показали: единичный потенциал действия в единичной кортикальной пирамидальной клетке 2\3 слоёв может запускать активность в полисинаптических цепочках, что фиксируется в конечном нейроне как возбудительные (EPSP) и тормозные (IPSP) постсинаптические потенциалы (иллюстрация 2). Это проливает свет на чрезвычайно эффективные средства передачи активности в кортикальной сети. Хотя ранние работы говорили о полисинаптической активации при единичном спайке клетки-канделябра, [16,17] настоящее исследование демонстрирует гораздо более длительные реакции. Более того, один из самых интересных результатов, полученных Molner et al., связан с временной структурой паттернов активности вследствие стимуляции единичного нейрона. В то время как большая часть сигналов, по-видимому, продвигается по сети с нарастающей дезорганизацией, авторам раз от разу удавалось вызвать удивительно точный темпоральный паттерн (см. илл. 1B в статье Molnar et al). Это говорит о том, что микросеть при некоторых обстоятельствах способна генерировать паттерны активации с низким джиттером и высоким временным разрешением, напоминающие точные пространственно-временные паттерны нейросетевой активации, о которых сообщалось в исследованиях образцов in vitro и in vivo. [22-24]
Гипотетическая модель распространения активности в неокортексе человека:
Потенциал действия в пирамидальном нейроне (клетка 1) вызывает спайк в клетке-канделябре (2) благодаря сильной связи, что в свою очередь вызывает спайк третьего порядка в следующей пирамидальной клетке (3). Благодаря этому спайку, трисинаптический EPSP фиксируется аппаратурой на пирамидальной постсинаптической клетке (клетка 4, событие A). В то же время, клетка 3 провоцирует активность как в корзинчатом (5), так и в канделяберном нейроне (6). Корзинчатый нейрон вызывает гиперполяризирующий IPSP на пирамидальной клетке, что отмечается в постсинаптической записи активности (клетка 4, событие B), на расстоянии уже в четыре синапса от первоначального спайка. Спайк клетки-канделябра (6) вызывает активность в ещё одной пирамидальной клетке (7), а это вызывает в анализируемом нейроне EPSP (клетка 4, событие C), в пяти синапсах от первоначального спайка. В целом постсинаптический пирамидальный нейрон (клетка 4) демонстрирует отложенную последовательность EPSP-IPSP-EPSP (события A, B, C) под воздействием сигналов, прошедших соответственно через три, четыре и пять синапсов. Molnar et al. предполагают, что подобные полисинаптические пути активируются единственным потенциалом действия кортикальной пирамидальной клетки.
Каков механизм этих активаций? Авторы выделяют два ключевых фактора. Во-первых, чрезвычайно сильные (до 8-20 mV) связи пирамидальных клеток с корзинчатыми и канделяберными нейронами позволяют осуществлять передачу сигнала spike-to-spike. В срезах мозга человека, относительно высокая доля корзинчатых (20%) и канделяберных (33%) нейронов может достигать граничных значений и активироваться под воздействием единственного спайка пирамидальной клетки - тут в глаза бросается контраст с мозгом крысы, у которой вероятность обнаружения полисинаптических событий оценивается примерно в 1%. Второй фактор заключается в рекрутинге канделябрами "низлежащих" пирамидальных клеток благодаря их деполяризующему действию. Эти пирамидальные клетки, расположенные "ниже по течению", могут производить EPSP на расстоянии в три синапса от первоначального спайка, в то же время - благодаря высокоамплитудным синапсам - активируя больше канделяберных и корзинчатых нейронов (запуская тем самым второй круг IPSP, уже в четырёх синапсах от оригинального спайка!). Подобные полисинаптические активационные цепочки, со сменяющимися пирамидальными и аксо-аксональными клетками, теоретически могут тянуться бесконечно, если бы многие входящие и исходящие синапсы на интернейронах не демонстрировали эффекта синаптической депрессии (снижение синаптической силы[25,26]).
Обнаружение столь сильных синапсов между пирамидальными клетками и интернейронами в образцах человеческого мозга вызывает множество вопросов. В то время как авторы исключают межвидовые различия в in-vitro показателях входящего сопротивления интернейронов, остается вероятность того, что in-vivo входное сопротивление у человека ниже по сравнению с другими животными. В таком случае, поразительно крупные синаптические амплитуды (??) могут отражать адаптацию к различным электротоническим условиям. Также, учитывая ключевую зависимость активации пирамидальных нейронов канделябрами от потенциала покоя на мембране пирамидальной клетки и потенциал равновесия хлорида (?chloride equilibrium potential?) на инициальном сегменте аксона, есть вероятность того, что конкретный характер внеклеточной среды, в которой содержатся нейроны, может как усиливать, так и снижать этот эффект. В этом отношении важно повторить in vivo проведенные на срезах мозга грызунов эсксперименты. К тому же приготовление хирургических срезов мозга человека значительно отличается от подготовки срезов мозга грызунов, и есть вероятность того, что описываемые авторами межвидовые различия появились вследствие разницы в методах. С другой стороны, высокоамплитудные EPSP, делающие возможными расширенные полисинаптические последовательности сигналов, могут быть действительно уникальной характеристикой мозга человека. И, наконец, даже столь отчетливая группа нейронов, как клетки канделябры\аксо-аксонные клетки, состоит из нейронов с различной морфологией,[11] и представляется возможным существование отдельных подтипов канделябров либо AAC. Действительно, в недавнем сообщении был описан новый тип AAC,[27] поднимая вопрос о том, не слишком ли упрощенным является уравнивание канделяберной клетки с аксо-аксонной. Следовательно, нужно проверить, все ли AAC представляют собой клетки-канделябры, и установить, применимы ли находки Molnar et al.[19] и Tamas et al.[16] к канделябрам, либо к AAC, либо к одному из их подтипов.
Независимо от этих потенциальных проблем, перед нами - новые данные, которые приоткрывают мучительно узкую створку, а за ней кроются особенности микросетей неокортекса человека. Полученные результаты также открывают новую главу в удивительной летописи исследований клеток-канделябров. Более того, работа Molnar et al. затрагивает сердцевину сетевой нейрофизиологии, базовый вопрос этой сферы знания - как именно активность распространяется по сети. В частности, полученные данные вносят вклад в рассмотрение трёх важных проблем:
1. Роль единичных нейронов в кортикальных сетях: даже в малом по объему участке неокортекса содержатся десятки тысяч нейронов. Возбудительные синапсы обычно слабы, обладают депрессорной динамикой и низкой вероятностью прохождения сигнала, поэтому роль индивидуальных клеток коры (в общем плане - всего мозга млекопитающего) считается ничтожно малой. Напротив, как традиционно считается, лишь совокупная активность многих нейронов может подняться над этими биофизическими ограничениями и оказать какое-либо функциональное воздействие. Но недавние результаты, полученные в лаборатории Брехта, поставили под удар эти базовые предположения.[28,29] В ходе in-vivo экспериментов было показано, что активация индивидуальных нейронов способна менять моторное либо сенсорное поведение животного, а это говорит о большой роли единичного нейрона в мозге. К сожалению, в этих замечательных работах не был предложен механизм, способный объяснить, как потенциалы действия, сгенерированные единичным нейроном, вообще способны преодолевать расстояния вопреки перечисленным выше биофизическим препятствиям. И вот Molnar et al. добавляют к данным Брехта потенциальный механизм: возможно, стимулированные нейроны активируют клетки-канделябры, запуская активность по цепочке. В то же время данные Брехта были получены на крысах, что не согласуется с указанием Molnar et al. на низкую вероятность полисинаптических цепочек активности в мозге крыс. С другой стороны, эффективность распространения in vitro и in vivo может быть различной. В любом случае, данные Molnar et al. подтверждают, что по меньшей мере в некоторых обстоятельствах и у некоторых видов стимуляция индивидуальных кортикальных нейронов in vivo способна порождать паттерн активности, распространяющийся по сети.
2. Генерация точных паттернов активности: еще один важный вклад Molnar et al. касается споров о том, способен ли кортекс генерировать пространственно-временные паттерны активности с высокой точностью. Как упоминалось, спонтанно сгенерированные точные паттерны активности отмечались в исследованиях как in vivo, так и in vitro,[22,23,24] но на каждую статью, сообщающую о таких паттернах, приходится как минимум две работы, отрицающие их статистическую значимость. Тот факт, что эти точные паттерны в действительности могут быть запущены экспериментатором, как показано Molner et al. (а также MacLean et al. при стимуляции таламуса[30]), ставит под сомнение необходимость дискуссии об их статистической значимости, и направляет наше внимание на исследование их механизма и функций. Данные Molnar et al. могут объяснить, как возникают эти паттерны, ведь они показали, что цепочки активируются спайками единичных пирамидальных нейронов (возможную функцию точных паттернов оставим для последующих обсуждений). Этот сценарий идет вразрез с предыдущими предположениями, фокусировавшимися на синхронной активности групп кортикальных нейронов (Abeles' synfire chains[31]), или пейсмейкерном поведении, отмечаемом у некоторых подтипов кортикальных клеток.[32] Демонстрация того, что кортикальные сети способны генерировать и пропагировать точные пространственно-временные паттерны активности, в сочетании с данными Brecht et al., вызвавшего стереотипические моторные паттерны при активации единичных кортикальных нейронов, говорит в пользу предположения о том, что кортекс в своей основе напоминает центральные генераторы паттернов, доминирующие в моторных сетях,[33,34] как если бы передний мозг представлял собой энцефализацию более примитивных фиксированных паттернов активности.[35]
3. Человеческие особенности: И, наконец, данные Molner et al. открывают факт существования сильных синаптических путей в неокортексе человека. Такие сильные взаимодействия ранее не наблюдались у других видов, и, вероятно, неокортекс человека обладает специализированными нейросетевыми характеристиками. Это противоречивое предположение, ведь крупный размер наших лобных долей указывает на то, что ментальные межвидовые различия существуют скорее благодаря разнице в размере нейросетей, чем вследствие разницы в устройстве нейронов или особенностях осуществлении активности. Тем не менее, запись активности интернейронов обезьян раскрыла физиологические свойства, отличающие их от нейронов крыс, как если бы клетки одного типа были функционально различны у разных видов.[36,37] На самом деле, хотя клетки-канделябры были описаны у многих млекопитающих, в том числе у сумчатых,[38] у человека они особенно сложны, отличаясь от подобных клеток у мышей своими крупными аксонами и морфологически более замысловатыми картриджами.[5,39] Можно предположить, что эти морфологические отличия ведут к усиленному рекрутированию полисинаптических цепей. Или, возможно, морфологические различия клеток-канделябров являются случайным совпадением, и уникальные свойства нейросетей человека определяются в первую очередь биофизическими характеристиками возбудительных синапсов. Наконец, возможно, кортикальные сети человека значительно физически отличаются от других видов, в пользу чего говорят межвидовые исследования коры млекопитающих, в ходе которых обнаруживаются морфологические особенности (обзор в [40]).
Дальнейшее изучение всех этих интригующих возможностей может указать нам на основы, обуславливающие природу человека и его ментального мира, или, с другой стороны, продемонстрировать наше сходство с другими видами. В любом случае, почти столетие после начала дебатов сторонников Кахаля и Лоренте о том, есть ли глубинные различия между человеком и мышью, вопрос остаётся открытым." - Alan Woodruff and Rafael Yuste
См. также:
Клетка-канделябр - Википедия.
Интервью Дэвида Льюиса - исследователь шизофрении упоминает клетки-канделябры. На его сайте есть страницы с упоминанием клеток-канделябров:
Functional architecture of the human DLPFC
Cortical development
Тормозная и возбуждающая роль ГАМК в амигдале (и коре) - ветка на форуме neuroscience.ru
Реверсия ответов на ГАМК - ветка на форуме neuroscience.ru
Также в форуме neuroscience.ru - сообщение о докладе А.В. Семьянова "Одновременные возбуждающие и тормозные эффекты ГАМК на одном нейроне".
P.S. Я сам не всё до конца понял, если есть ошибки в переводе, пишите в комментариях.
В обзоре описывается краткая история исследований уникальных клеток-канделябров, недавние громкие открытия, показавшие, что эти ГАМКергические нейроны способны возбуждать пирамидальные клетки, и последняя работа, появившаяся в том же номере PLoS Biology, в которой показывается, что, возможно, клетки-канделябры позволяют "вспышке" одного нейрона распространяться на довольно большие расстояния, и это может определять некоторые особенности работы нашего мозга. Для исследования были взяты участки здоровой коры пациентов, изъятые при нейрохирургических операциях.
Вот само исследование:
Перевод обзора:
"Что делает нас людьми? Один из самых очевидных ответов на этот древний вопрос - в том, что некие особенности структуры и функционирования центральной нервной системы человека, в первую очередь неокортекса, отличают человека от других животных. Мы не только обладаем пропорционально крупнейшим среди млекопитающих неокортексом, но и имеем самые крупные лобные доли, отвечающие за высшие когнитивные функции.
В поисках свидетельств, способных пролить свет на биологический базис человека, нейроанатомы издавна сравнивали человеческий мозг с мозгом других видов, и в результате возникли две отдельные теории. Сантьяго Рамон-и-Кахаль, отец нейроанатомии, утверждал, что у "высших" млекопитающих, таких как человек, в кортексе содержится больше классов нейронов по сравнению с "низшими", и в качестве примера приводил мышь.[1] В частности, он предположил, что разнообразие "короткоаксонных" клеток, т.е. ГАМКергических ингибиторных интернейронов, и степень утонченности их характеристик, всё более увеличиваются при движении вверх по эволюционной лестнице.[2]
Альтернативная позиция - то, что межвидовые различия кроются не в вариации типов клеток, а в размере и сложности сетей - нашла поддержку у ученика Кахаля, Рафаэля Лоренте де Но, который, как многие лучшие ученики, пошёл наперекор выученному. Избрав мышь своей экспериментальной системой при написании диссертации в нежном возрасте двадцати лет, Лоренте смог описать столько же типов нейронов в ее неокортексе, сколько было описано Кахалем у человека. Кахаль вежливо опубликовал труд Лоренте в своём журнале, не внося правок, но сообщил своему ученику, что тот заблуждается. Спор продолжался до самой смерти Кахаля: уже прикованный к постели, в 1934 году он увещевал Лоренте в письме: "мышь - плохой объект для изучения кортикальных сетей, у неё слишком мало короткоаксонных клеток".
Одним из наиболее отчетливых типов аксо-аксональных клеток, или ГАМКергических интернейронов, присутствующих в кортикальных сетях млекопитающих, являются "клетки-канделябры". Их выделяет аксональное ветвление с типичными параллельными массивами пресинаптических терминалей, выстроенных короткими вертикальными линиями (т.н. "картриджи"), напоминающими свечи в старомодном канделябре (рис. 1). Клетки-канделябры составляют малую часть всех ГАМКергических интернейронов[5]- их не заметили ни Кахаль, ни Лоренте, и лишь в 1974 году исследователи Szentagothai и Arbib описали их как отдельный подтип[6]. Похожий нейрон, также с параллельными массивами терминалей (клетка 4 типа), был описан Джонсом примерно в то же время.[7] Рассмотрев форму их терминалей, Szentagothai посчитал, что клетки-канделябры образуют массивы синапсов с апикальными дендритами пирамидальных клеток.[8] Через два года его ученик Peter Somogyi, исследуя под электронным микроскопом схожие по форме нейроны, отметил их связь с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток, и назвал этот новый по его мнению тип "аксо-аксональными клетками" (Axo-Axonic Cells, AAC).[9] Уникальное аксо-аксональное соединение было позже подтверждено Fairen и Valverde[10] и DeFilipe et al.,[11] который предположил, что AAC на самом деле и есть канделяберные нейроны. С тех пор оба названия используются в научной литературе на равных правах.
(Реконструкция клетки-канделябра из среза мозга мыши, Alan Woodruff и Rafael Yuste, PLoS Biology)
Выдающиеся морфологические особенности клеток-канделябров захватили воображение исследователей кортекса, их часто используют для иллюстрации очевидной целенаправленности устройства микросетей коры. Под влиянием ГАМКергических канделяберных клеток находится множество пирамидальных нейронов, причем воздействию подвергается важный участок - начальный сегмент аксона, место генерации потенциала действия. Казалось бы, для клеток-канделябров стратегически идеальна роль кортикального выключателя, способного останавливать целые группы возбудительных глутаматергических нейронов.
До начала 21 века клетки-канделябры оставались малоисследованными, как по вине своей малочисленности, так и из-за отсутствия специфических нейрохимических либо физиологических маркеров. Время от времени осуществлялась запись активности канделяберных нейронов in vitro[12,13] и in vivo[14,15], давшие знание о их активности в качестве интернейронов. Однако в 2006 году в журнале Science появилась статья Gabor Tamás et al.,[16] перевернувшая многие представления. Габор Тамаш, ученик Peter Somogyi, когда-то разглядевшего необычный характер связей клеток-канделябров, утверждал, что эти клетки могут не только ингибировать, но и возбуждать пирамидальные клетки, что еще более уникально для ГАМКергических нейронов. Удивительно - один потенциал действия клетки-канделябра напрямую вызывал спайки во множестве постсинаптических пирамидальных нейронов, обеспечивая высокоточный механизм передачи сигнала в локальной кортикальной микросети. Простимулировав спайки в пирамидальных клетках, можно получить обратную связь - клетки-канделябры отреагируют возбудительной активностью, а это своеобразный физиологический маркер, позволяющий выделить хотя бы некоторые из них среди других интернейронов. Вероятно, похожее явление возбудительной обратной связи было отмечено в клетках-канделябрах гиппокампа десять лет назад,[12] а недавно было описано в амигдале,[17] следовательно, возбудительная роль клеток-канделябров может быть широко распространена.
В попытке объяснить возбуждающую активность клеток-канделябров, Тамаш с коллегами утверждают, что ГАМК потенциал реверсии (EGABA) более деполяризован в аксоне, чем в других частях нейрона, из-за недостатка котранспортера хлорида калия KCC2, выталкивающего хлорид во внеклеточное пространство. Однако простого недостатка котранспортера может оказаться недостаточно для поддержания столь сильного EGABA-градиента между аксоном и сомой. Проведённое недавно исследование с использованием методики GABA uncaging продемонстрировало деполяризующий сдвиг в потенциале реверсии EGABA от дендрита к соме, а затем к аксону, и, более того - показало, что высокая аксональная экспрессия хлорид-импортера NKCC1, возможно, вдобавок к недостатку KCC2, может поддерживать деполяризованный EGABA.[18]
(RuBi-GABA-uncaging: лазерные импульсы высвобождают ГАМК из комплекса с рутением, это даёт возможность картировать реакции индивидуального нейрона на нейротрансмиттер)
В настоящем номере PLoS Biology, Molnar et al., осуществив технический tour de force, расширили свои находки, относящиеся к клеткам-канделябрам. При записи активности с образцов, взятых при хирургии, впервые были идентифицированы пары соединенных нейронов в тканях мозга человека, и авторы исследовали их синаптические и электросетевые свойства.[19] Двойная запись активности соединенных клеток в настоящее время является золотым стандартом в нейрофизиологии электрических связей, ведь она позволяет проводить физиологический анализ эффекта активации единичных аксонов, а, следовательно, функционально изолировать элементарные синаптические реакции "от нейрона к нейрону". [20,21]
Molnar et al. показали: единичный потенциал действия в единичной кортикальной пирамидальной клетке 2\3 слоёв может запускать активность в полисинаптических цепочках, что фиксируется в конечном нейроне как возбудительные (EPSP) и тормозные (IPSP) постсинаптические потенциалы (иллюстрация 2). Это проливает свет на чрезвычайно эффективные средства передачи активности в кортикальной сети. Хотя ранние работы говорили о полисинаптической активации при единичном спайке клетки-канделябра, [16,17] настоящее исследование демонстрирует гораздо более длительные реакции. Более того, один из самых интересных результатов, полученных Molner et al., связан с временной структурой паттернов активности вследствие стимуляции единичного нейрона. В то время как большая часть сигналов, по-видимому, продвигается по сети с нарастающей дезорганизацией, авторам раз от разу удавалось вызвать удивительно точный темпоральный паттерн (см. илл. 1B в статье Molnar et al). Это говорит о том, что микросеть при некоторых обстоятельствах способна генерировать паттерны активации с низким джиттером и высоким временным разрешением, напоминающие точные пространственно-временные паттерны нейросетевой активации, о которых сообщалось в исследованиях образцов in vitro и in vivo. [22-24]
Гипотетическая модель распространения активности в неокортексе человека:
Потенциал действия в пирамидальном нейроне (клетка 1) вызывает спайк в клетке-канделябре (2) благодаря сильной связи, что в свою очередь вызывает спайк третьего порядка в следующей пирамидальной клетке (3). Благодаря этому спайку, трисинаптический EPSP фиксируется аппаратурой на пирамидальной постсинаптической клетке (клетка 4, событие A). В то же время, клетка 3 провоцирует активность как в корзинчатом (5), так и в канделяберном нейроне (6). Корзинчатый нейрон вызывает гиперполяризирующий IPSP на пирамидальной клетке, что отмечается в постсинаптической записи активности (клетка 4, событие B), на расстоянии уже в четыре синапса от первоначального спайка. Спайк клетки-канделябра (6) вызывает активность в ещё одной пирамидальной клетке (7), а это вызывает в анализируемом нейроне EPSP (клетка 4, событие C), в пяти синапсах от первоначального спайка. В целом постсинаптический пирамидальный нейрон (клетка 4) демонстрирует отложенную последовательность EPSP-IPSP-EPSP (события A, B, C) под воздействием сигналов, прошедших соответственно через три, четыре и пять синапсов. Molnar et al. предполагают, что подобные полисинаптические пути активируются единственным потенциалом действия кортикальной пирамидальной клетки.
Каков механизм этих активаций? Авторы выделяют два ключевых фактора. Во-первых, чрезвычайно сильные (до 8-20 mV) связи пирамидальных клеток с корзинчатыми и канделяберными нейронами позволяют осуществлять передачу сигнала spike-to-spike. В срезах мозга человека, относительно высокая доля корзинчатых (20%) и канделяберных (33%) нейронов может достигать граничных значений и активироваться под воздействием единственного спайка пирамидальной клетки - тут в глаза бросается контраст с мозгом крысы, у которой вероятность обнаружения полисинаптических событий оценивается примерно в 1%. Второй фактор заключается в рекрутинге канделябрами "низлежащих" пирамидальных клеток благодаря их деполяризующему действию. Эти пирамидальные клетки, расположенные "ниже по течению", могут производить EPSP на расстоянии в три синапса от первоначального спайка, в то же время - благодаря высокоамплитудным синапсам - активируя больше канделяберных и корзинчатых нейронов (запуская тем самым второй круг IPSP, уже в четырёх синапсах от оригинального спайка!). Подобные полисинаптические активационные цепочки, со сменяющимися пирамидальными и аксо-аксональными клетками, теоретически могут тянуться бесконечно, если бы многие входящие и исходящие синапсы на интернейронах не демонстрировали эффекта синаптической депрессии (снижение синаптической силы[25,26]).
Обнаружение столь сильных синапсов между пирамидальными клетками и интернейронами в образцах человеческого мозга вызывает множество вопросов. В то время как авторы исключают межвидовые различия в in-vitro показателях входящего сопротивления интернейронов, остается вероятность того, что in-vivo входное сопротивление у человека ниже по сравнению с другими животными. В таком случае, поразительно крупные синаптические амплитуды (??) могут отражать адаптацию к различным электротоническим условиям. Также, учитывая ключевую зависимость активации пирамидальных нейронов канделябрами от потенциала покоя на мембране пирамидальной клетки и потенциал равновесия хлорида (?chloride equilibrium potential?) на инициальном сегменте аксона, есть вероятность того, что конкретный характер внеклеточной среды, в которой содержатся нейроны, может как усиливать, так и снижать этот эффект. В этом отношении важно повторить in vivo проведенные на срезах мозга грызунов эсксперименты. К тому же приготовление хирургических срезов мозга человека значительно отличается от подготовки срезов мозга грызунов, и есть вероятность того, что описываемые авторами межвидовые различия появились вследствие разницы в методах. С другой стороны, высокоамплитудные EPSP, делающие возможными расширенные полисинаптические последовательности сигналов, могут быть действительно уникальной характеристикой мозга человека. И, наконец, даже столь отчетливая группа нейронов, как клетки канделябры\аксо-аксонные клетки, состоит из нейронов с различной морфологией,[11] и представляется возможным существование отдельных подтипов канделябров либо AAC. Действительно, в недавнем сообщении был описан новый тип AAC,[27] поднимая вопрос о том, не слишком ли упрощенным является уравнивание канделяберной клетки с аксо-аксонной. Следовательно, нужно проверить, все ли AAC представляют собой клетки-канделябры, и установить, применимы ли находки Molnar et al.[19] и Tamas et al.[16] к канделябрам, либо к AAC, либо к одному из их подтипов.
Независимо от этих потенциальных проблем, перед нами - новые данные, которые приоткрывают мучительно узкую створку, а за ней кроются особенности микросетей неокортекса человека. Полученные результаты также открывают новую главу в удивительной летописи исследований клеток-канделябров. Более того, работа Molnar et al. затрагивает сердцевину сетевой нейрофизиологии, базовый вопрос этой сферы знания - как именно активность распространяется по сети. В частности, полученные данные вносят вклад в рассмотрение трёх важных проблем:
1. Роль единичных нейронов в кортикальных сетях: даже в малом по объему участке неокортекса содержатся десятки тысяч нейронов. Возбудительные синапсы обычно слабы, обладают депрессорной динамикой и низкой вероятностью прохождения сигнала, поэтому роль индивидуальных клеток коры (в общем плане - всего мозга млекопитающего) считается ничтожно малой. Напротив, как традиционно считается, лишь совокупная активность многих нейронов может подняться над этими биофизическими ограничениями и оказать какое-либо функциональное воздействие. Но недавние результаты, полученные в лаборатории Брехта, поставили под удар эти базовые предположения.[28,29] В ходе in-vivo экспериментов было показано, что активация индивидуальных нейронов способна менять моторное либо сенсорное поведение животного, а это говорит о большой роли единичного нейрона в мозге. К сожалению, в этих замечательных работах не был предложен механизм, способный объяснить, как потенциалы действия, сгенерированные единичным нейроном, вообще способны преодолевать расстояния вопреки перечисленным выше биофизическим препятствиям. И вот Molnar et al. добавляют к данным Брехта потенциальный механизм: возможно, стимулированные нейроны активируют клетки-канделябры, запуская активность по цепочке. В то же время данные Брехта были получены на крысах, что не согласуется с указанием Molnar et al. на низкую вероятность полисинаптических цепочек активности в мозге крыс. С другой стороны, эффективность распространения in vitro и in vivo может быть различной. В любом случае, данные Molnar et al. подтверждают, что по меньшей мере в некоторых обстоятельствах и у некоторых видов стимуляция индивидуальных кортикальных нейронов in vivo способна порождать паттерн активности, распространяющийся по сети.
2. Генерация точных паттернов активности: еще один важный вклад Molnar et al. касается споров о том, способен ли кортекс генерировать пространственно-временные паттерны активности с высокой точностью. Как упоминалось, спонтанно сгенерированные точные паттерны активности отмечались в исследованиях как in vivo, так и in vitro,[22,23,24] но на каждую статью, сообщающую о таких паттернах, приходится как минимум две работы, отрицающие их статистическую значимость. Тот факт, что эти точные паттерны в действительности могут быть запущены экспериментатором, как показано Molner et al. (а также MacLean et al. при стимуляции таламуса[30]), ставит под сомнение необходимость дискуссии об их статистической значимости, и направляет наше внимание на исследование их механизма и функций. Данные Molnar et al. могут объяснить, как возникают эти паттерны, ведь они показали, что цепочки активируются спайками единичных пирамидальных нейронов (возможную функцию точных паттернов оставим для последующих обсуждений). Этот сценарий идет вразрез с предыдущими предположениями, фокусировавшимися на синхронной активности групп кортикальных нейронов (Abeles' synfire chains[31]), или пейсмейкерном поведении, отмечаемом у некоторых подтипов кортикальных клеток.[32] Демонстрация того, что кортикальные сети способны генерировать и пропагировать точные пространственно-временные паттерны активности, в сочетании с данными Brecht et al., вызвавшего стереотипические моторные паттерны при активации единичных кортикальных нейронов, говорит в пользу предположения о том, что кортекс в своей основе напоминает центральные генераторы паттернов, доминирующие в моторных сетях,[33,34] как если бы передний мозг представлял собой энцефализацию более примитивных фиксированных паттернов активности.[35]
3. Человеческие особенности: И, наконец, данные Molner et al. открывают факт существования сильных синаптических путей в неокортексе человека. Такие сильные взаимодействия ранее не наблюдались у других видов, и, вероятно, неокортекс человека обладает специализированными нейросетевыми характеристиками. Это противоречивое предположение, ведь крупный размер наших лобных долей указывает на то, что ментальные межвидовые различия существуют скорее благодаря разнице в размере нейросетей, чем вследствие разницы в устройстве нейронов или особенностях осуществлении активности. Тем не менее, запись активности интернейронов обезьян раскрыла физиологические свойства, отличающие их от нейронов крыс, как если бы клетки одного типа были функционально различны у разных видов.[36,37] На самом деле, хотя клетки-канделябры были описаны у многих млекопитающих, в том числе у сумчатых,[38] у человека они особенно сложны, отличаясь от подобных клеток у мышей своими крупными аксонами и морфологически более замысловатыми картриджами.[5,39] Можно предположить, что эти морфологические отличия ведут к усиленному рекрутированию полисинаптических цепей. Или, возможно, морфологические различия клеток-канделябров являются случайным совпадением, и уникальные свойства нейросетей человека определяются в первую очередь биофизическими характеристиками возбудительных синапсов. Наконец, возможно, кортикальные сети человека значительно физически отличаются от других видов, в пользу чего говорят межвидовые исследования коры млекопитающих, в ходе которых обнаруживаются морфологические особенности (обзор в [40]).
Дальнейшее изучение всех этих интригующих возможностей может указать нам на основы, обуславливающие природу человека и его ментального мира, или, с другой стороны, продемонстрировать наше сходство с другими видами. В любом случае, почти столетие после начала дебатов сторонников Кахаля и Лоренте о том, есть ли глубинные различия между человеком и мышью, вопрос остаётся открытым." - Alan Woodruff and Rafael Yuste
См. также:
P.S. Я сам не всё до конца понял, если есть ошибки в переводе, пишите в комментариях.