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Colonna vertebrale dendritica

Colonna vertebrale dendritica

Una colonna vertebrale dendritica (o colonna vertebrale) è una piccola sporgenza membranosa dal dendrite di un neurone che in genere riceve input da un singolo assone nella sinapsi. Le spine dendritiche fungono da sito di stoccaggio per la forza sinaptica e aiutano a trasmettere segnali elettrici al corpo cellulare del neurone. La maggior parte delle spine ha una testa bulbosa (la testa della colonna vertebrale) e un collo sottile che collega la testa della colonna vertebrale all'albero del dendrite. I dendriti di un singolo neurone possono contenere da centinaia a migliaia di spine. Oltre alle spine che forniscono un substrato anatomico per l'archiviazione della memoria e la trasmissione sinaptica, possono anche servire ad aumentare il numero di possibili contatti tra i neuroni.

Struttura

Le spine dendritiche sono piccole con volumi della testa della colonna vertebrale compresi tra 0,01 μm3 e 0,8 μm3. Le spine con forti contatti sinaptici hanno in genere una grande testa della colonna vertebrale, che si collega al dendrite tramite un collo membranoso. Le classi più importanti di forma della colonna vertebrale sono "sottili", "tozze", "funghi" e "ramificate". Gli studi di microscopia elettronica hanno dimostrato che esiste un continuum di forme tra queste categorie. Si ritiene che la forma e il volume della colonna vertebrale siano correlati con la forza e la maturità di ciascuna sinapsi della colonna vertebrale.

Distribuzione

Le spine dendritiche di solito ricevono input eccitatori dagli assoni, anche se a volte entrambe le connessioni inibitorie ed eccitatorie vengono fatte sulla stessa testa della colonna vertebrale. La vicinanza eccitatoria degli assoni alle spine dendritiche non è sufficiente per prevedere la presenza di una sinapsi, come dimostrato dal laboratorio Lichtman nel 2015.

Le spine si trovano sui dendriti della maggior parte dei neuroni principali nel cervello, inclusi i neuroni piramidali della neocorteccia, i neuroni spinosi medi dello striato e le cellule Purkinje del cervelletto. Le spine dendritiche si verificano con una densità fino a 5 spine / 1 μm di tratto di dendrite. I neuroni dell'ippocampo e della piramide corticale possono ricevere decine di migliaia di input per lo più eccitatori da altri neuroni sulle loro altrettanto numerose spine, mentre il numero di spine sui dendriti del neurone di Purkinje è un ordine di grandezza maggiore.

Citoscheletro e organelli

Il citoscheletro delle spine dendritiche è particolarmente importante nella loro plasticità sinaptica; senza un citoscheletro dinamico, le spine non sarebbero in grado di cambiare rapidamente i loro volumi o forme in risposta agli stimoli. Questi cambiamenti nella forma potrebbero influenzare le proprietà elettriche della colonna vertebrale. Il citoscheletro delle spine dendritiche è principalmente costituito da actina filamentosa (F-actina). tubulina Sono presenti monomeri e proteine ​​associate ai microtubuli (MAP) e sono presenti microtubuli organizzati. Poiché le spine hanno un citoscheletro principalmente di actina, ciò consente loro di essere altamente dinamici in forma e dimensioni. Il citoscheletro di actina determina direttamente la morfologia della colonna vertebrale e regolatori di actina, piccole GTPasi come Rac, RhoA e CDC42, modificano rapidamente questo citoscheletro. Rac1 iperattivo produce spine dendritiche costantemente più piccole.

Oltre alla loro attività elettrofisiologica e alla loro attività mediata dal recettore, le spine sembrano essere attive vescicolosamente e possono persino tradurre le proteine. Dischi impilati del reticolo endoplasmatico liscio (SER) sono stati identificati nelle spine dendritiche. La formazione di questo "apparato spinale" dipende dalla sinaptopodinamica delle proteine ​​e si ritiene che svolga un ruolo importante nella gestione del calcio. Le vescicole "lisce" sono state identificate anche nelle spine, a supporto dell'attività vescicolare nelle spine dendritiche. La presenza di poliribosomi nelle spine suggerisce anche un'attività traslazionale delle proteine ​​nella colonna vertebrale stessa, non solo nel dendrite.

Fisiologia

Attività del recettore

Le spine dendritiche esprimono i recettori del glutammato (ad es. Recettore AMPA e recettore NMDA) sulla loro superficie. Il recettore TrkB per BDNF è anche espresso sulla superficie della colonna vertebrale e si ritiene che abbia un ruolo nella sopravvivenza della colonna vertebrale. La punta della colonna vertebrale contiene una regione densa di elettroni denominata "densità postsinaptica" (PSD). Il PSD applica direttamente la zona attiva del suo assone sinapsi e comprende circa il 10% della superficie della membrana della colonna vertebrale; i neurotrasmettitori rilasciati dai recettori della zona attiva legano la densità postsinaptica della colonna vertebrale. La metà degli assoni sinapsi e delle spine dendritiche sono legate fisicamente dalla caderina dipendente dal calcio, che forma giunzioni aderenti cellula-cellula tra due neuroni.

I recettori del glutammato (GluR) sono localizzati alla densità postsinaptica e sono ancorati alla membrana da elementi citoscheletrici. Sono posizionati direttamente sopra il loro macchinario di segnalazione, che è tipicamente legato alla parte inferiore della membrana del plasma, consentendo ai segnali trasmessi dai GluR nel citosol di essere ulteriormente propagati dai loro elementi di segnalazione vicini per attivare le cascate di trasduzione del segnale. La localizzazione degli elementi di segnalazione nei loro GluR è particolarmente importante per garantire l'attivazione in cascata del segnale, poiché i GluR non sarebbero in grado di influenzare particolari effetti a valle senza segnalatori vicini.

La segnalazione da GluRs è mediata dalla presenza di un'abbondanza di proteine, in particolare le chinasi, che sono localizzate alla densità postsinaptica. Questi includono calmodulina dipendente dal calcio, CaMKII (proteinodinasi II della calmodulina), PKC (protein chinasi C), PKA (protein chinasi A), Protein fosfatasi-1 (PP-1) e Fyn tirosina chinasi. Alcuni segnalatori, come CaMKII, sono sovraregolati in risposta all'attività.

Le spine dorsali sono particolarmente vantaggiose per i neuroni compartimentando i segnali biochimici. Questo può aiutare a codificare i cambiamenti nello stato di una sinapsi individuale senza influenzare necessariamente lo stato di altre sinapsi dello stesso neurone. La lunghezza e la larghezza del collo della colonna vertebrale hanno un grande effetto sul grado di compartimentazione, con spine sottili che sono le spine più biochimicamente isolate.

Plasticità

Le spine dendritiche sono molto "plastiche", ovvero le spine cambiano in modo significativo in forma, volume e numero in piccoli intervalli di tempo. Poiché le spine hanno principalmente un citoscheletro di actina, sono dinamiche e la maggior parte delle spine cambia forma in pochi secondi o minuti a causa della dinamicità del rimodellamento dell'actina. Inoltre, il numero della colonna vertebrale è molto variabile e le spine vanno e vengono; nel giro di poche ore, il 10-20% delle spine può apparire o scomparire spontaneamente sulle cellule piramidali della corteccia cerebrale, sebbene le spine più grandi a forma di "fungo" siano le più stabili.

La manutenzione e la plasticità della colonna vertebrale dipendono dall'attività e dall'attività. Il BDNF determina parzialmente i livelli della colonna vertebrale e bassi livelli di attività del recettore AMPA sono necessari per mantenere la sopravvivenza della colonna vertebrale e l'attività sinaptica che coinvolge i recettori NMDA incoraggia la crescita della colonna vertebrale. Inoltre, la microscopia a scansione a due fotoni laser e la microscopia confocale hanno dimostrato che il volume della colonna vertebrale cambia a seconda dei tipi di stimoli che vengono presentati a una sinapsi.

Importanza per l'apprendimento e la memoria

Prova di importanza
Formazione ed eliminazione della colonna vertebrale dipendente dall'esperienza

La plasticità della colonna vertebrale è implicata nella motivazione, nell'apprendimento e nella memoria. In particolare, la memoria a lungo termine è mediata in parte dalla crescita di nuove spine dendritiche (o dall'ampliamento di spine preesistenti) per rafforzare un particolare percorso neurale. Poiché le spine dendritiche sono strutture plastiche la cui durata della vita è influenzata dall'attività di input, le dinamiche della colonna vertebrale possono svolgere un ruolo importante nel mantenimento della memoria per tutta la vita.

I cambiamenti dipendenti dall'età nel tasso di turnover della colonna vertebrale suggeriscono che la stabilità della colonna vertebrale influisce sull'apprendimento dello sviluppo. In gioventù, il turnover della colonna vertebrale dendritica è relativamente elevato e produce una perdita netta di spine. Questo alto tasso di turnover della colonna vertebrale può caratterizzare periodi critici di sviluppo e riflettere la capacità di apprendimento nell'adolescenza: diverse aree corticali mostrano livelli diversi di turnover sinaptico durante lo sviluppo, forse riflettendo periodi critici variabili per specifiche regioni del cervello. Nell'età adulta, tuttavia, la maggior parte delle spine rimane persistente e l'emivita delle spine aumenta. Questa stabilizzazione si verifica a causa di un rallentamento evolutivo dell'eliminazione della colonna vertebrale, un processo che può essere alla base della stabilizzazione dei ricordi nella maturità.

I cambiamenti indotti dall'esperienza nella stabilità della colonna vertebrale dendritica indicano anche il turnover della colonna vertebrale come meccanismo coinvolto nel mantenimento di memorie a lungo termine, sebbene non sia chiaro come l'esperienza sensoriale influenzi i circuiti neurali. Due modelli generali potrebbero descrivere l'impatto dell'esperienza sulla plasticità strutturale. Da un lato, l'esperienza e l'attività possono guidare la formazione discreta di connessioni sinaptiche rilevanti che memorizzano informazioni significative al fine di consentire l'apprendimento. D'altra parte, le connessioni sinaptiche possono essere formate in eccesso e l'esperienza e l'attività possono portare alla potatura delle connessioni sinaptiche estranee.

Negli animali da laboratorio di tutte le età, l'arricchimento ambientale è stato correlato alla ramificazione dendritica, alla densità della colonna vertebrale e al numero complessivo di sinapsi. Inoltre, è stato dimostrato che l'addestramento delle abilità porta alla formazione e alla stabilizzazione di nuove spine mentre destabilizzano vecchie spine, suggerendo che l'apprendimento di una nuova abilità comporta un processo di ricablaggio dei circuiti neurali. Poiché l'estensione del rimodellamento della colonna vertebrale è correlata al successo dell'apprendimento, ciò suggerisce un ruolo cruciale della plasticità strutturale sinaptica nella formazione della memoria. Inoltre, si verificano rapidamente cambiamenti nella stabilità e nel rafforzamento della colonna vertebrale che sono stati osservati entro poche ore dall'allenamento.

Al contrario, mentre l'arricchimento e l'allenamento sono correlati all'aumento della formazione e della stabilità della colonna vertebrale, la privazione sensoriale a lungo termine porta ad un aumento del tasso di eliminazione della colonna vertebrale e quindi influisce sui circuiti neurali a lungo termine. Al ripristino dell'esperienza sensoriale dopo la privazione nell'adolescenza, l'eliminazione della colonna vertebrale viene accelerata, suggerendo che l'esperienza gioca un ruolo importante nella perdita netta di spine durante lo sviluppo. Inoltre, è stato dimostrato che altri paradigmi di deprivazione sensoriale - come la rasatura del baffo - aumentano la stabilità delle nuove spine.

La ricerca su malattie e lesioni neurologiche ha fatto luce sulla natura e l'importanza del turnover della colonna vertebrale. Dopo l'ictus, si verifica un marcato aumento della plasticità strutturale vicino al sito del trauma ed è stato osservato un aumento da cinque a otto volte dei tassi di controllo del turnover della colonna vertebrale. I dendriti si disintegrano e si ricompongono rapidamente durante l'ischemia, come nel caso dell'ictus, i sopravvissuti hanno mostrato un aumento del turnover della colonna vertebrale dendritica. Mentre si osserva una perdita netta di spine nella malattia di Alzheimer e casi di disabilità intellettiva, l'uso di cocaina e anfetamine sono stati collegati ad aumenti della ramificazione dendritica e della densità della colonna vertebrale nella corteccia prefrontale e nel nucleo accumbens. Poiché si verificano cambiamenti significativi nella densità della colonna vertebrale in varie malattie del cervello, ciò suggerisce uno stato equilibrato delle dinamiche della colonna vertebrale in circostanze normali, che può essere suscettibile di squilibrio in condizioni patologiche variabili.

Ci sono anche alcune prove per la perdita di spine dendritiche a causa dell'invecchiamento. Uno studio condotto su topi ha rilevato una correlazione tra riduzioni legate all'età delle densità della colonna vertebrale nell'ippocampo e cali dipendenti dall'età nell'apprendimento e nella memoria dell'ippocampo.

Importanza contestata

Nonostante i risultati sperimentali che suggeriscono un ruolo per la dinamica della colonna vertebrale dendritica nella mediazione dell'apprendimento e della memoria, il grado di plasticità strutturale rimane discutibile. Ad esempio, gli studi stimano che solo una piccola porzione di spine formate durante l'allenamento contribuisce effettivamente all'apprendimento permanente. Inoltre, la formazione di nuove spine potrebbe non contribuire in modo significativo alla connettività del cervello e la formazione della colonna vertebrale potrebbe non influire tanto sulla conservazione della memoria quanto altre proprietà della plasticità strutturale, come l'aumento delle dimensioni delle teste della colonna vertebrale.

modellismo

I teorici hanno ipotizzato per decenni sulla potenziale funzione elettrica delle spine, ma la nostra incapacità di esaminare le loro proprietà elettriche fino a poco tempo fa ha impedito al lavoro teorico di progredire troppo. I recenti progressi nelle tecniche di imaging, insieme all'aumento dell'uso del glutammato a due fotoni, non hanno portato a una vasta gamma di nuove scoperte; ora sospettiamo che ci siano canali di sodio, potassio e calcio dipendenti dalla tensione nelle teste della colonna vertebrale.

La teoria dei cavi fornisce la struttura teorica alla base del metodo più "semplice" per modellare il flusso di correnti elettriche lungo le fibre neurali passive. Ogni colonna vertebrale può essere trattata come due scomparti, uno che rappresenta il collo, l'altro che rappresenta la testa della colonna vertebrale. Il compartimento che rappresenta la sola testa della colonna vertebrale dovrebbe portare le proprietà attive.

Il modello di continuum di Baer e Rinzel

Per facilitare l'analisi delle interazioni tra molte spine, Baer & Rinzel hanno formulato una nuova teoria dei cavi per la quale la distribuzione delle spine è trattata come un continuum. In questa rappresentazione, la tensione della testa della colonna vertebrale è la media spaziale locale del potenziale di membrana nelle spine adiacenti. La formulazione mantiene la caratteristica che non esiste un accoppiamento elettrico diretto tra le spine vicine; la tensione diffusa lungo i dendriti è l'unico modo per interagire con le spine.

Modello Spike-diffuse-spike

Il modello SDS era inteso come una versione computazionalmente semplice del modello completo Baer e Rinzel. È stato progettato per essere trattabile analiticamente e avere il minor numero possibile di parametri liberi pur mantenendo quelli di maggiore significato, come la resistenza del collo della colonna vertebrale. Il modello rilascia l'approssimazione continua e utilizza invece un dendrite passivo accoppiato a spine eccitabili in punti discreti. Le dinamiche di membrana nelle spine sono modellate usando i processi di integrazione e di fuoco. Gli eventi spike sono modellati in modo discreto con la forma d'onda convenzionalmente rappresentata come una funzione rettangolare.

Modellanti transitori del calcio della colonna vertebrale

I transitori di calcio nelle spine sono un fattore chiave per la plasticità sinaptica. I recettori NMDA, che hanno un'alta permeabilità per il calcio, conducono ioni solo se il potenziale di membrana è depolarizzato in modo soddisfacente. La quantità di calcio che entra in una colonna vertebrale durante l'attività sinaptica dipende quindi dalla depolarizzazione della testa della colonna vertebrale. Le evidenze degli esperimenti di imaging del calcio (microscopia a due fotoni) e della modellizzazione compartimentale indicano che le spine con collo ad alta resistenza sperimentano transitori di calcio più grandi durante l'attività sinaptica.

Sviluppo

Le spine dendritiche possono svilupparsi direttamente dagli alberi dendritici o dalla filopodia dendritica. Durante la sinaptogenesi, i dendriti spuntano rapidamente e ritraggono la filopodia, piccole sporgenze membranose prive di organelli a membrana. Recentemente, è stato scoperto che la proteina I-BAR MIM contribuisce al processo di iniziazione. Durante la prima settimana di nascita, il cervello è predominato dalla filopodia, che alla fine sviluppa sinapsi. Tuttavia, dopo questa prima settimana, i filopodi sono sostituiti da dendriti spinosi ma anche da piccole spine tozze che sporgono dai dendriti spinosi. Nello sviluppo di alcuni filopodi in spine, la filopodia recluta un contatto presinaptico con il dendrite, il che incoraggia la produzione di spine per gestire il contatto post-sinaptico specializzato con le sporgenze presinaptiche.

Le spine, tuttavia, richiedono la maturazione dopo la formazione. Le spine acerbe hanno capacità di segnalazione compromesse e in genere mancano di "teste" (o hanno teste molto piccole), solo colli, mentre le spine maturate mantengono sia la testa che il collo.

Significato clinico

Disturbi cognitivi come ADHD, autismo, disabilità intellettiva e sindrome dell'X fragile, possono derivare da anomalie nelle spine dendritiche, in particolare il numero di spine e la loro maturità. Il rapporto tra spine maturate e immature è importante nella loro segnalazione, poiché le spine immature hanno una segnalazione sinaptica compromessa. La sindrome dell'X fragile è caratterizzata da una sovrabbondanza di spine acerbe che hanno filopodi multipli nei dendriti corticali.

Storia

Le spine dendritiche furono descritte per la prima volta alla fine del XIX secolo da Santiago Ramón y Cajal sui neuroni cerebellari. Ramón y Cajal ha quindi proposto che le spine dendritiche possano servire come siti di contatto tra i neuroni. Ciò è stato dimostrato più di 50 anni dopo grazie all'emergere della microscopia elettronica. Fino allo sviluppo della microscopia confocale sui tessuti viventi, era comunemente ammesso che le spine si erano formate durante lo sviluppo embrionale e sarebbero rimaste stabili dopo la nascita. In questo paradigma, le variazioni del peso sinaptico sono state considerate sufficienti per spiegare i processi di memoria a livello cellulare. Ma da circa un decennio fa, nuove tecniche di microscopia confocale hanno dimostrato che le spine dendritiche sono in realtà strutture mobili e dinamiche che subiscono un costante ricambio, anche dopo la nascita.