Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эпаптическая связь - это форма коммуникации внутри нервной системы, которая отличается от систем прямой коммуникации, таких как электрические и химические синапсы . Это может относиться к соединению соседних (соприкасающихся) нервных волокон, вызванному обменом ионами между клетками, или может относиться к соединению нервных волокон в результате локальных электрических полей. [1] В любом случае эпаптическая связь может влиять на синхронизацию и время срабатывания потенциала действия в нейронах. Миелинизации , как полагает, ингибируют эфаптические взаимодействия. [2]

История и этимология [ править ]

Идея о том, что электрическая активность, генерируемая нервной тканью, может влиять на активность окружающей нервной ткани, возникла еще в конце 19 века. Ранние эксперименты, такие как эксперименты дю Буа-Реймона [3], продемонстрировали, что возбуждение первичного нерва может вызвать возбуждение соседнего вторичного нерва (так называемое «вторичное возбуждение»). Однако количественно этот эффект не исследовался до экспериментов Каца и Шмитта [4] в 1940 году, когда они исследовали электрическое взаимодействие двух соседних нервов конечностей краба Carcinus maenas . Их работа продемонстрировала, что прогрессирование потенциала действия в активном аксоне вызывает изменения возбудимости в неактивном аксоне. Эти изменения были отнесены кместные токи , формирующие потенциал действия. Например, токи, вызвавшие деполяризацию (возбуждение) активного нерва, вызвали соответствующую гиперполяризацию (депрессию) соседнего покоящегося волокна. Точно так же токи, вызвавшие реполяризацию активного нерва, вызывали небольшую деполяризацию в покоящемся волокне. Кац и Шмитт также заметили, что стимуляция обоих нервов может вызывать интерференционные эффекты. Одновременное возбуждение потенциала действия вызывало помехи и приводило к снижению скорости проводимости , в то время как стимуляция с небольшим смещением приводила к синхронизации двух импульсов.

В 1941 году Арванитаки [5] исследовал ту же тему и предложил использовать термин «ephapse» (от греческого ephapsis и означающего «прикоснуться»), чтобы описать это явление и отличить его от синаптической передачи. Со временем термин эпаптическая связь стал использоваться не только в случаях электрического взаимодействия между соседними элементами, но и в более общем плане для описания эффектов, вызванных любыми изменениями поля вдоль клеточной мембраны. [6]

Механизм и эффекты [ править ]

Роль в возбуждении и торможении [ править ]

Ранняя работа, выполненная Кацем и Шмиттом, продемонстрировала, что эпаптическая связь между двумя соседними нервами недостаточна для стимуляции потенциала действия в нерве покоя. В идеальных условиях максимальная наблюдаемая деполяризация составляла примерно 20% от порогового стимула . [4] Однако условиями можно управлять таким образом, чтобы потенциал действия от одного нейрона мог распространяться на соседний нейрон. Это было достигнуто в одном исследовании в двух экспериментальных условиях: повышенная концентрация кальция, которая снижает пороговый потенциал, или погружение аксонов в минеральное масло, которое увеличивает сопротивление. Хотя эти манипуляции не отражают нормальные условия, они подчеркивают механизмы, лежащие в основе эпаптического возбуждения. [7]

Было также обнаружено, что эпаптическое сцепление играет важную роль в ингибировании соседних нейронов. Было обнаружено, что в зависимости от местоположения и идентичности нейронов в основе эпаптического торможения лежат различные механизмы. В одном исследовании недавно возбужденные соседние нейроны вмешивались в уже устойчивые токи, тем самым снижая внеклеточный потенциал и деполяризуя нейрон по отношению к окружающей среде, эффективно подавляя распространение потенциала действия. [8]

Роль в синхронизации и времени [ править ]

Исследования эпаптической связи также сосредоточены на ее роли в синхронизации и времени потенциалов действия в нейронах. В более простом случае соседние волокна, которые испытывают одновременную стимуляцию, импульс замедляется, потому что оба волокна ограничены обменом ионов только с межклеточной жидкостью (увеличивая сопротивление нерва). Слегка смещенные импульсы (скорости проводимости отличаются менее чем на 10%) могут конструктивно обмениваться ионами, а потенциалы действия распространяются немного в противофазе с той же скоростью.

Однако более поздние исследования были сосредоточены на более общем случае электрических полей, которые влияют на различные нейроны. Было замечено, что потенциалы локального поля в корковых нейронах могут служить для синхронизации нейрональной активности. [9] Хотя механизм неизвестен, предполагается, что нейроны эпаптически связаны с частотами потенциала локального поля. Это соединение может эффективно синхронизировать нейроны в периоды повышенной возбудимости (или депрессии) и допускать определенные паттерны времени потенциала действия (часто называемые временем спайков). Этот эффект был продемонстрирован и смоделирован во множестве случаев. [10] [11]

Гипотезой или объяснением этого механизма является эффект «односторонней», «ведущий-ведомый» или «однонаправленной синхронизации» как математическое и фундаментальное свойство нелинейных динамических систем (осцилляторов, таких как нейроны) для синхронизации при определенных критериях. Такое явление было предложено и предсказано как возможное между двумя нейронами HR с 2010 года в симуляциях и моделировании Hrg. [12]Также было показано, что такая однонаправленная синхронизация или передача копий / вставок нейронной динамики от главного к подчиненным нейронам может проявляться по-разному. Следовательно, этот феномен представляет не только фундаментальный интерес, но и прикладной - от лечения эпилепсии до новых систем обучения. Синхронизация нейронов в принципе является нежелательным поведением, так как мозг будет иметь нулевую информацию или будет просто лампочкой, если все нейроны будут синхронизироваться. Следовательно, это гипотеза, что нейробиология и эволюция мозга справились со способами предотвращения такого синхронного поведения в больших масштабах, используя его скорее в других частных случаях.

Примеры [ править ]

Сердечная ткань [ править ]

Система электропроводности сердца надежно установлена. Однако новые исследования поставили под сомнение некоторые из ранее принятых моделей. Роль эпаптического сцепления в сердечных клетках становится все более очевидной. Один автор даже заходит так далеко, что заявляет: «Хотя раньше она рассматривалась как возможная альтернатива электротонической связи, с тех пор эпаптическая связь стала рассматриваться как работающая в тандеме с щелевыми соединениями, помогая поддерживать проводимость, когда соединение щелевых соединений нарушено». [13] Эпаптические взаимодействия между сердечными клетками помогают заполнить пробелы, которые одни электрические синапсы не могут объяснить. Существует также ряд математических моделей, которые в последнее время включают эпаптическую связь в предсказания электрической проводимости в сердце.[14] Экспериментальная работа предполагает, что богатые натриевыми каналами нанодомены, расположенные в местах тесного контакта между сердечными миоцитами, могут составлять функциональные единицы эпаптического взаимодействия, а избирательное разрушение этих нанодоменов приводит к замедлению аритмогенной проводимости, предполагая важную роль эпаптического взаимодействия в сердце. [15]

Эпилепсия и судороги [ править ]

Эпилептические припадки возникают при синхронности электрических волн в головном мозге. Зная роль, которую играет эпаптическая связь в поддержании синхронности электрических сигналов, имеет смысл искать эпаптические механизмы при этом типе патологии. Одно исследование показало, что кортикальные клетки представляют собой идеальное место для наблюдения эпаптической связи из-за плотной упаковки аксонов, которая позволяет взаимодействовать между их электрическими полями. Они протестировали эффекты изменения внеклеточного пространства (которое влияет на локальные электрические поля) и обнаружили, что можно заблокировать эпилептическую синхронизацию независимо от химических манипуляций синапсами, просто увеличив пространство между клетками. [16]Позже была создана модель, чтобы предсказать это явление и показать сценарии с большим межклеточным интервалом, которые эффективно блокировали эпилептическую синхронизацию в головном мозге. [17]

Обонятельная система головного мозга [ править ]

Нейроны в обонятельной системе немиелинизированы и плотно упакованы, поэтому часто более заметны небольшие эффекты эпаптического сцепления. Ряд исследований показал, как ингибирование нейронов в обонятельной системе работает для тонкой настройки интеграции сигналов в ответ на запах. Было показано, что это ингибирование происходит только из-за изменений электрических потенциалов. [8] Добавление эпаптической связи к моделям обонятельных нейронов добавляет дополнительную поддержку модели «выделенной линии», в которой каждый обонятельный рецептор посылает свой сигнал одному нейрону. Торможение из-за эпаптической связи может помочь учесть интеграцию сигналов, которая приводит к более тонкому восприятию запахов. [18]

Математические модели [ править ]

Из-за очень малых электрических полей, создаваемых нейронами, математические модели часто используются для проверки ряда манипуляций. Теория кабеля - одно из важнейших математических уравнений в нейробиологии. [19] Он вычисляет электрический ток с использованием емкости и сопротивления в качестве переменных и является основной основой для многих предсказаний об эпаптической связи в нейронах. Однако многие авторы работали над созданием более совершенных моделей, чтобы более точно представить среду нервной системы. Например, многие авторы предложили модели сердечной ткани, которые включают дополнительные переменные, которые учитывают уникальную структуру и геометрию сердечных клеток [14] различных масштабов размера, [20]или трехмерная электродиффузия. [21]

Модели животных [ править ]

Гигантские аксоны кальмаров [ править ]

В 1978 году основные испытания проводились на аксонах гигантских кальмаров, чтобы найти доказательства эпаптических явлений. Было показано, что потенциал действия одного аксона может передаваться на соседний аксон. Уровень передачи варьировался от подпороговых изменений до инициирования потенциала действия в соседней клетке, но во всех случаях было очевидно, что существуют последствия эпаптического сцепления, которые имеют физиологическое значение. [7]

Спинной мозг и продолговатый мозг крысы [ править ]

В одном исследовании тестировалось влияние эпаптической связи с использованием антагонистов нейромедиаторов для блокирования химических синапсов и блокаторов щелевых соединений для блокирования электрических синапсов. Было обнаружено, что ритмичный электрический разряд, связанный с нейронами плода в спинном и продолговатом мозге крысы, все еще сохраняется. Это говорит о том, что связи между нейронами все еще существуют и работают для распространения сигналов даже без традиционных синапсов. Эти данные подтверждают модель, в которой эпаптическое соединение работает вместе с каноническими синапсами для распространения сигналов по нейронным сетям. [22]

Клетки Пуркинье крысы мозжечка [ править ]

Один из немногих известных случаев функциональной системы, в которой эпаптическое соединение отвечает за наблюдаемое физиологическое событие, - это клетки Пуркинье мозжечка крысы. [23] В этом исследовании было продемонстрировано, что корзиночные клетки, которые инкапсулируют некоторые области волокон Пуркинье, могут оказывать ингибирующее действие на клетки Пуркинье. Возбуждение этих корзиночных клеток, которое происходит быстрее, чем в клетках Пуркинье, пропускает ток через клетку Пуркинье и генерирует пассивный гиперполяризующий потенциал, который подавляет активность клетки Пуркинье. Хотя точная функциональная роль этого ингибирования все еще неясна, оно вполне может иметь синхронизирующий эффект в клетках Пуркинье, поскольку эпаптический эффект ограничивает время возбуждения.

Аналогичный эфаптической эффект был изучен в клетках Маутнера из костистых . [24]

Скептицизм [ править ]

Хотя идея несинаптических взаимодействий между нейронами существует с 19 века, исторически в области нейробиологии было много скептицизма. Многие считали, что микрополя, создаваемые самими нейронами, настолько малы, что ими можно пренебречь. [18]Хотя многие сторонники теории эпаптической связи пытались доказать ее существование с помощью экспериментов, блокирующих как химические, так и электрические синапсы, все же некоторые противники в этой области выражают осторожность. Например, в 2014 году один ученый опубликовал обзор, в котором представлен его скептицизм по поводу идеи эпаптической связи, заявив: «Согласие между их моделированием и данными Пельзинга впечатляет, но мне понадобится более определенное экспериментальное подтверждение, прежде чем я смогу принять эпаптическое соединение. гипотеза ». [25]Он обосновывает свое предостережение тем, что хочет большего различия между распространением заряда через щелевые переходы и истинной эпаптической связью. Будь то истинное отсутствие доказательств или просто упорство перед лицом изменений, многие в этой области до сих пор не совсем уверены в наличии однозначных доказательств эпаптической связи. Исследования продолжаются, и в 2018 году были объявлены неожиданные результаты [26] [ требуются дополнительные пояснения ]

См. Также [ править ]

  • Соляная проводимость
  • Электроэнцефалография
  • Когерентность спайк-поля
  • НейроЭлектродинамика
  • Теория кабеля
  • Потенциал местного поля

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Aur D., Jog, MS. (2010) Neuroelectrodynamics: Понимание языка мозга , IOS Press, DOI : 10,3233 / 978-1-60750-473-3-я
  2. ^ Hartline DK (май 2008). «Что такое миелин?». Биология нейронной глии . 4 (2): 153–63. DOI : 10.1017 / S1740925X09990263 . PMID  19737435 .
  3. ^ Вильгельм Бидерманн (1898). Электрофизиология . Макмиллан. С. 270–.
  4. ^ a b Кац Б., Шмитт Огайо (февраль 1940 г.). «Электрическое взаимодействие между двумя соседними нервными волокнами» . J. Physiol. (Лонд.) . 97 (4): 471–88. DOI : 10.1113 / jphysiol.1940.sp003823 . PMC 1393925 . PMID 16995178 .  
  5. ^ Арванитаки A (1942). «Эффекты, вызванные в аксоне деятельностью смежного». Журнал нейрофизиологии . 5 (2): 89–108. DOI : 10,1152 / jn.1942.5.2.89 . ISSN 0022-3077 . 
  6. ^ Jefferys JG (октябрь 1995). «Несинаптическая модуляция нейрональной активности в головном мозге: электрические токи и внеклеточные ионы». Physiol. Ред . 75 (4): 689–723. DOI : 10.1152 / Physrev.1995.75.4.689 . PMID 7480159 . 
  7. ^ a b Рамон Ф, Мур Дж. У. (1978). «Эпаптическая передача в аксонах гигантских кальмаров». Являюсь. J. Physiol . 234 (5): C162–9. DOI : 10.1152 / ajpcell.1978.234.5.C162 . PMID 206154 . 
  8. ^ а б Ван дер Гус ван Натерс W (2013). «Ингибирование среди нейронов обонятельных рецепторов» . Front Hum Neurosci . 7 : 690. DOI : 10,3389 / fnhum.2013.00690 . PMC 3805947 . PMID 24167484 .  
  9. Перейти ↑ Anastassiou CA, Perin R, Markram H, Koch C (февраль 2011 г.). «Эпаптическое сцепление корковых нейронов». Nat. Neurosci . 14 (2): 217–23. DOI : 10.1038 / nn.2727 . PMID 21240273 . S2CID 7836328 .  ( прямая ссылка на полный текст )
  10. ^ Radman T, Су Y, An JH, Парра LC, Bikson M (март 2007). «Время спайков усиливает действие электрических полей на нейроны: последствия для эффектов эндогенного поля» . J. Neurosci . 27 (11): 3030–6. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.0095-07.2007 . PMC 6672570 . PMID 17360926 .  
  11. ^ Anastassiou CA, Монтгомери SM, Барахона M, Buzsáki G, Koch C (февраль 2010). «Влияние пространственно неоднородных внеклеточных электрических полей на нейроны» . J. Neurosci . 30 (5): 1925–36. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.3635-09.2010 . PMC 6633973 . PMID 20130201 .  
  12. ^ Hrg D (апрель 2013 г.). «Синхронизация двух нейронов Hindmarsh-Rose с однонаправленной связью». Neural Netw . 40 : 73–9. DOI : 10.1016 / j.neunet.2012.12.010 . PMID 23454921 . 
  13. ^ Veeraraghavan R, Gourdie RG, Poelzing S (март 2014). «Механизмы сердечной проводимости: история исправлений» . Являюсь. J. Physiol. Heart Circ. Physiol . 306 (5): H619–27. DOI : 10.1152 / ajpheart.00760.2013 . PMC 3949060 . PMID 24414064 .  
  14. ^ а б Лин Дж., Кинер Дж. П. (2010). «Моделирование электрической активности клеток миокарда с учетом эффектов эпаптической связи» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 107 (49): 20935–40. Bibcode : 2010PNAS..10720935L . DOI : 10.1073 / pnas.1010154107 . PMC 3000303 . PMID 21078961 .  
  15. ^ Veeraraghavan R, Hoeker Г.С., Альварес-Laviada А, Хоагленд Д, Ван Х, король ДР, Санчес-Алонсо Дж, Чен С, Джоердэн Дж, Isom Л.Л., Дешен я, Смит JW, Горелик Дж, Poelzing S, Gourdie RG ( 2018). «Адгезионная функция бета-субъединицы натриевого канала (β1) способствует распространению сердечного потенциала действия» . eLife . 7 . DOI : 10.7554 / eLife.37610 . PMC 6122953 . PMID 30106376 .  
  16. ^ Дудек FE, Yasumura T, Rash JE (ноябрь 1998). « „ Non-синаптические“механизмы изъятия и эпилептогенеза». Cell Biol. Int . 22 (11–12): 793–805. DOI : 10,1006 / cbir.1999.0397 . PMID 10873292 . S2CID 2092166 .  
  17. Перейти ↑ Stacey RG, Hilbert L, Quail T (май 2015 г.). «Вычислительное исследование синхронности в полях и микрокластерах эпаптически связанных нейронов» . J. Neurophysiol . 113 (9): 3229–41. DOI : 10,1152 / jn.00546.2014 . PMC 4440237 . PMID 25673735 .  
  18. ^ a b Bokil H, Laaris N, Blinder K, Ennis M, Keller A (октябрь 2001 г.). «Эпаптические взаимодействия в обонятельной системе млекопитающих» . J. Neurosci . 21 (20): RC173. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.21-20-j0004.2001 . PMC 6763860 . PMID 11588203 .  
  19. ^ Bedard C, Destexhe A (август 2013). «Обобщенная кабельная теория для нейронов в сложных и неоднородных средах». Phys Rev E . 88 (2): 022709. arXiv : 1304.5674 . Bibcode : 2013PhRvE..88b2709B . DOI : 10.1103 / PhysRevE.88.022709 . PMID 24032866 . S2CID 16729315 .  
  20. Перейти ↑ Hand PE, Griffith BE (август 2010). «Адаптивная многомасштабная модель для моделирования сердечной проводимости» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 107 (33): 14603–8. Bibcode : 2010PNAS..10714603H . DOI : 10.1073 / pnas.1008443107 . PMC 2930419 . PMID 20671202 .  
  21. Перейти ↑ Mori Y, Fishman GI, Peskin CS (апрель 2008 г.). «Эпаптическая проводимость в модели сердечного тяжа с трехмерной электродиффузией» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 105 (17): 6463–8. Bibcode : 2008PNAS..105.6463M . DOI : 10.1073 / pnas.0801089105 . PMC 2359793 . PMID 18434544 .  
  22. Перейти ↑ Ren J, Momose-Sato Y, Sato K, Greer JJ (январь 2006 г.). «Ритмичный нейрональный разряд в продолговатом и спинном мозге плодных крыс при отсутствии синаптической передачи». J. Neurophysiol . 95 (1): 527–34. DOI : 10,1152 / jn.00735.2005 . PMID 16148265 . 
  23. ^ Korn H, Axelrad H (октябрь 1980). «Электрическое ингибирование клеток Пуркинье в мозжечке крысы» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 77 (10): 6244–7. Bibcode : 1980PNAS ... 77.6244K . DOI : 10.1073 / pnas.77.10.6244 . PMC 350252 . PMID 6255484 .  
  24. ↑ Faber DS, Korn H (июль 1989 г.). «Эффекты электрического поля: их актуальность в центральных нейронных сетях». Physiol. Ред . 69 (3): 821–63. DOI : 10.1152 / Physrev.1989.69.3.821 . PMID 2546168 . 
  25. ^ Рот BJ (февраль 2014). «Способствует ли эпаптическое сцепление распространению в сердечной ткани?» . Биофиз. Дж . 106 (4): 774–5. Bibcode : 2014BpJ ... 106..774R . DOI : 10.1016 / j.bpj.2014.01.011 . PMC 3944891 . PMID 24559978 .  
  26. ^ Чан, Чиа-Чу; Shivacharan, Rajat S .; Вэй, Силе; Гонсалес-Рейес, Луис Э .; Дюран, Доминик М. (2019). «Медленная периодическая активность в продольном срезе гиппокампа может самораспространяться несинаптически по механизму, совместимому с эпаптическим сцеплением» . Журнал физиологии . 597 (1): 249–269. DOI : 10,1113 / JP276904 . PMC 6312416 . PMID 30295923 .