Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Модельный вид синапса

Синаптическая обрезка , фаза развития нервной системы , представляет собой процесс устранения синапсов, который происходит в период между ранним детством и наступлением половой зрелости у многих млекопитающих , включая человека . [1] Обрезка начинается незадолго до рождения и продолжается до середины 20 лет. [2] Во время обрезки и аксон, и дендрит распадаются и отмирают. Традиционно он считался завершенным к моменту полового созревания , но исследования МРТ не учитывали это обстоятельство . [3]

Мозг младенца увеличится в размере до 5 раз к взрослому возрасту, достигнув конечного размера примерно 86 (± 8) миллиардов нейронов . [4] Два фактор способствует этому росту: рост синаптических связей между нейронами и миелинизацией из нервных волокон ; общее количество нейронов, однако, остается прежним. После подросткового возраста объем синаптических связей снова уменьшается из-за сокращения синапсов. [5]

На обрезку влияют факторы окружающей среды, и многие считают, что это означает обучение . [5]

Варианты [ править ]

Нормативная обрезка [ править ]

При рождении нейроны зрительной и моторной коры имеют связи с верхним бугорком , спинным мозгом и мостом . Нейроны в каждой коре выборочно обрезаются, оставляя связи, которые установлены с функционально соответствующими центрами обработки. Таким образом, нейроны зрительной коры обрезают синапсы с нейронами спинного мозга, а моторная кора разрывает связи с верхними бугорками. Этот вариант обрезки известен как крупномасштабная стереотипная обрезка аксонов. Нейроны отправляют длинные ответвления аксонов в подходящие и неподходящие целевые области, и несоответствующие связи в конечном итоге отсекаются. [6]

Регрессивные события уточняют изобилие связей, наблюдаемых в нейрогенезе , для создания специфических и зрелых схем. Апоптоз и обрезка - два основных метода разрыва нежелательных связей. При апоптозе нейрон погибает, и все связи, связанные с нейроном, также удаляются. Напротив, нейрон не умирает при обрезке, но требует отвода аксонов от синаптических связей, которые функционально не подходят.

Считается, что синаптическая обрезка предназначена для удаления ненужных нейронных структур из мозга; По мере развития человеческого мозга потребность в понимании более сложных структур становится все более актуальной, и считается, что более простые ассоциации, сформированные в детстве, заменяются сложными структурами. [7]

Несмотря на то, что оно имеет несколько коннотаций с регуляцией когнитивного развития в детстве, считается, что обрезка представляет собой процесс удаления нейронов, которые могли быть повреждены или деградировали, с целью дальнейшего улучшения «сетевой» способности определенной области мозга. [7] Кроме того, было оговорено, что этот механизм работает не только в отношении развития и репарации, но также как средство постоянного поддержания более эффективной функции мозга путем удаления нейронов за счет их синаптической эффективности. [7]

Обрезка созревающего мозга [ править ]

Обрезка, связанная с обучением, известна как мелкомасштабная обрезка терминальных ветвей аксонов. Аксоны расширяют короткие концевые ветви аксонов к нейронам в целевой области. Обрезка некоторых оконечных беседок проводится по конкурсу. Выбор обрезанных терминальных ветвей следует принципу «используй или потеряй», наблюдаемому в синаптической пластичности . Это означает, что часто используемые синапсы имеют прочные связи, в то время как редко используемые синапсы устраняются. Примеры, наблюдаемые у позвоночных, включают отсечение окончаний аксонов в нервно-мышечном соединении в периферической нервной системе и сокращение входов карабкающихся волокон в мозжечок в центральной нервной системе . [6]

Что касается людей, синаптическая обрезка наблюдалась путем вывода различий в предполагаемом количестве глиальных клеток и нейронов между детьми и взрослыми, которые сильно различаются в медиодорсальном таламическом ядре .

В исследовании, проведенном в 2007 году Оксфордским университетом , исследователи сравнили мозг 8 новорожденных людей с мозгом 8 взрослых, используя оценки, основанные на размере и данных, собранных в результате стереологического фракционирования . Они показали, что в среднем оценки популяций взрослых нейронов были на 41% ниже, чем у новорожденных в области, которую они измеряли, в медиодорсальном таламическом ядре. [8]

Однако с точки зрения глиальных клеток у взрослых было гораздо больше оценок, чем у новорожденных; В среднем 36,3 миллиона в мозге взрослых по сравнению с 10,6 миллиона в образцах новорожденных. [8] Считается, что структура мозга изменяется, когда дегенерация и деафферентация происходят в постнатальных ситуациях, хотя эти явления не наблюдались в некоторых исследованиях. [8] В случае развития нейроны, которые находятся в процессе потери из-за запрограммированной гибели клеток, вряд ли будут повторно использоваться, а скорее будут заменены новыми нейронными структурами или синаптическими структурами, и было обнаружено, что они происходят вместе со структурными изменениями. в подкорковом сером веществе .

Синаптическая обрезка классифицируется отдельно от регрессивных событий, наблюдаемых в более старшем возрасте. В то время как обрезка в процессе развития зависит от опыта, ухудшающиеся связи, которые являются синонимом старости, не зависят. Стереотипную обрезку можно сравнить с процессом долбления и лепки камня в статую. Как только статуя будет завершена, погода начнет разрушать статую, и это представляет собой независимое от опыта удаление связей.

Забыть проблемы с обучением через обрезку [ править ]

Все попытки создать системы искусственного интеллекта , которые обучаются путем отсечения неиспользуемых соединений, имеют проблему, заключающуюся в том, что каждый раз, когда они узнают что-то новое, они забывают все, что узнали раньше.. Поскольку биологический мозг подчиняется тем же законам физики, что и искусственный интеллект, как и все физические объекты, эти исследователи утверждают, что если бы биологический мозг обучался путем обрезки, он столкнулся бы с теми же катастрофическими проблемами забывания. Это указывается как особенно серьезная проблема, если обучение должно быть частью процесса развития, поскольку сохранение старых знаний необходимо для развивающих типов обучения, и поэтому утверждается, что синаптическое сокращение не может быть механизмом умственного развития. . Утверждается, что развивающие типы обучения должны использовать другие механизмы, которые не зависят от синаптического сокращения. [9] [10]

Энергосбережение для воспроизведения и прерывистых различий [ править ]

Одна из теорий, объясняющих, почему многие мозги синаптически обрезаются, когда человек или другой примат вырастает, заключается в том, что для поддержания синапсов потребляются питательные вещества, которые могут потребоваться в других частях тела во время роста и полового созревания. Эта теория не предполагает психической функции синаптического отсечения. Эмпирическое наблюдение о том, что человеческий мозг делится на две отдельные категории: одна снижает синаптическую плотность примерно на 41% во время взросления, а другая синаптически неотеническаяТип, при котором уменьшение синаптической плотности практически отсутствует, но между ними отсутствует континуум, объясняется этой теорией как адаптация к физиологии с различными потребностями в питании, при которых один тип должен высвободить питательные вещества для прохождения полового созревания, а другой могут созревать половым путем за счет других перенаправлений питательных веществ, не связанных с уменьшением потребления питательных веществ мозгом. Ссылаясь на то, что большая часть затрат на питательные вещества в мозге приходится на поддержание мозговых клеток и их синапсов, а не на саму активацию, эта теория объясняет наблюдение, что некоторые мозги, по-видимому, продолжают сокращаться спустя годы после полового созревания в результате того, что некоторые мозги имеют больше надежные синапсы, что позволяет им годами пренебрегать, прежде чем синаптические шипы окончательно распадутся.Другая гипотеза, которая может объяснить прерывность, - это ограниченное функциональное генетическое пространство, ограниченное тем фактом, что большая часть генома человека нуждается в отсутствии функций, специфичных для последовательности, чтобы избежать слишком большого количества вредных мутаций, предсказывая, что эволюция происходит за счет нескольких мутаций, происходящих с имеют большие эффекты, в то время как большинство мутаций вообще не имеют никаких эффектов.[11] [12]

Механизмы [ править ]

Три модели, объясняющие сокращение синапсов, - это дегенерация аксонов, ретракция аксонов и отторжение аксонов. Во всех случаях синапсы формируются временным окончанием аксона , а устранение синапсов вызывается обрезкой аксона. Каждая модель предлагает свой метод удаления аксона для удаления синапса. В мелкосерийной аксоне беседка обрезки, нейронная активность , как полагают, являются важным регулятором, [ править ] , но молекулярный механизм остается неясным. Гормоны и трофические факторы считаются основными внешними факторами, регулирующими крупномасштабную стереотипную обрезку аксонов. [6]

Дегенерация аксонов [ править ]

У дрозофилы во время метаморфоза происходят обширные изменения в нервной системе . Метаморфоз запускается экдизоном , и в этот период происходит обширная обрезка и реорганизация нейронной сети. Таким образом, предполагается, что обрезка у Drosophila запускается активацией рецепторов экдизона. Исследования денервации нервно-мышечного соединения позвоночных показали, что механизм удаления аксона очень напоминает дегенерацию Валлера . [13] Однако глобальная и одновременная обрезка наблюдается у Drosophiliaотличается от обрезки нервной системы млекопитающих, которая происходит локально и на нескольких стадиях развития. [6]

Ретракция аксона [ править ]

Ветви аксонов втягиваются от дистального к проксимальному направлению. Считается, что ретрактируемое содержимое аксона возвращается в другие части аксона. Биологический механизм, с помощью которого происходит отсечение аксонов, все еще остается неясным для центральной нервной системы млекопитающих. Однако обрезка была связана с молекулами наведения у мышей. Направляющие молекулы служат для управления поиском пути аксонов посредством отталкивания, а также инициируют отсечение избыточных синаптических связей. Семафориновые лиганды и рецепторы нейропилинов и плексиновиспользуются для индукции ретракции аксонов, чтобы инициировать отсечение гиппокампо-перегородки и инфрапирамидного пучка (IPB). Было обнаружено, что стереотипное обрезание выступов гиппокампа значительно нарушается у мышей с дефектом Plexin-A3. В частности, аксоны, которые связаны с временной мишенью, будут втягиваться, когда рецепторы Plexin-A3 активируются семафориновыми лигандами класса 3. В IPB экспрессия мРНК для Sema3F присутствует в гиппокампе пренатально, теряется постнатально и возвращается в ориентировочный слой.. По совпадению, начало обрезки IPB происходит примерно в то же время. В случае выступов перегородки гиппокампа за экспрессией мРНК для Sema3A следовало начало обрезки через 3 дня. Это говорит о том, что обрезка запускается, когда лиганд достигает пороговых уровней белка в течение нескольких дней после детектируемой экспрессии мРНК . [14] Обрезка аксонов вдоль зрительного кортикоспинального тракта (CST) является дефектом у мутантов нейропилина-2 и мышей с двойными мутантами плексина-A3 и плексина-A4. Sema3F также экспрессируется в спинном мозге во время процесса обрезки. У этих мутантов не наблюдается моторного дефекта обрезки CST. [6]

Стереотипная обрезка также наблюдалась при адаптации чрезмерно вытянутых ветвей аксонов из образования ретинотопии . Было обнаружено, что эфрин и рецепторы эфрина , Eph, регулируют и направляют ветви аксонов сетчатки. Форвард сигнализации между эфриными-A и EPHA, вдоль передним - задней осью, было обнаружено, ингибируют сетчатки аксонов ветвь формирования заднего к концевой зоне. Прямая передача сигналов также способствует сокращению аксонов, которые достигли терминальной зоны. Однако остается неясным, применяется ли механизм ретракции, наблюдаемый при обрезке IPB, в аксонах сетчатки. [15]

Было обнаружено, что обратная передача сигналов между белками ephrin-B и их тирозинкиназами рецепторов Eph запускает механизм ретракции в IPB. Наблюдается, что эфрин-B3 преобразует зависимые от фосфорилирования тирозина обратные сигналы в аксоны гиппокампа, которые запускают обрезку избыточных волокон IPB. Предлагаемый путь включает экспрессию EphB на поверхности клеток-мишеней, что приводит к фосфорилированию тирозина эфрина-B3. Последующее связывание ephrin-B3 с цитоплазматическим адаптерным белком Grb4 приводит к привлечению и связыванию активированных киназ Dock180 и p21 (PAK). Связывание Dock180 увеличивает уровни Rac-GTP, а PAK опосредует передачу сигналов активного Rac.что приводит к втягиванию аксона и, в конечном итоге, к обрезке. [16]

Выделение аксонов [ править ]

Покадровая визуализация отступающих аксонов в нервно-мышечных соединениях мышей показала отрыв аксонов как возможный механизм сокращения. Отступающий аксон двигался в порядке от дистального к проксимальному и напоминал ретракцию. Однако было много случаев, когда остатки сбрасывались при втягивании аксонов. Остатки, названные аксосомами, содержали те же органеллы, что и в луковицах, прикрепленных к концам аксонов, и обычно находились в непосредственной близости от луковиц. Это указывает на то, что аксосомы происходят от луковиц. Более того, аксосомы не имели электронно-плотных цитоплазм или поврежденных митохондрий, что указывает на то, что они не образовались в результате валлеровской дегенерации. [17]

Возможная роль в шизофрении [ править ]

Было высказано предположение, что синаптическая обрезка играет определенную роль в патологии нарушений развития нервной системы, таких как шизофрения , а также в расстройстве аутистического спектра . [18] [19]

Микроглия участвует в сокращении синапсов, поскольку они играют роль как в иммунном ответе в виде макрофагов, так и в поддержании нейронов и синаптической пластичности в ЦНС во время внутриутробного развития, раннего постнатального развития и подросткового возраста, когда они поглощают ненужные или избыточные синапсы. через фагоцитоз . [18] Поглощение и захват синапсов микроглией, как было определено, повышается в изолированных синаптосомах.пациентов мужского пола с шизофренией по сравнению со здоровыми людьми из контрольной группы, что предполагает усиление индуцированного микроглией синаптического сокращения у этих людей. Опосредованная микроглией синаптическая обрезка также активируется в позднем подростковом и раннем взрослом возрасте, что также может объяснять возраст начала шизофрении, о котором часто сообщают примерно в это время развития (от позднего подросткового возраста до начала 20-летнего возраста для мужчин и среднего возраста). до поздних 20 лет для женщин) [20] Лекарственное средство миноциклин, полусинтетический проникающий в мозг тетрациклиновый антибиотик, в некоторой степени обращает вспять эти изменения, внесенные в синаптосомы пациента, путем подавления синаптической отсечения. [20]

Гены в локусе компонента 4 комплемента (C4) главного комплекса гистосовместимости (MHC), которые кодируют факторы комплемента , также были связаны с риском шизофрении посредством исследований сцепления генов . [20] Тот факт, что некоторые из этих факторов комплемента участвуют в передаче сигналов во время синаптической обрезки, также, по-видимому, предполагает, что риск шизофрении может быть связан с синаптической обрезкой. [19] В частности, было обнаружено, что факторы комплемента C1q и C3 играют роль в опосредованном микроглией сокращении синапсов. [19] Также было обнаружено, что носители вариантов риска C4 связаны с этим типом переполнения синапсов в микроглии. [20]Предлагаемый механизм этого взаимодействия заключается в увеличении отложения фактора комплемента C3 на синаптосомы как следствие повышенной экспрессии C4A у этих носителей варианта риска. [20]

См. Также [ править ]

  • Нейропластичность

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чечик, G; Meilijson, I; Руппин, Э (1998). «Синаптическая обрезка в разработке: вычислительный счет». Нейронные вычисления . 10 (7): 1759–77. CiteSeerX  10.1.1.21.2198 . DOI : 10.1162 / 089976698300017124 . PMID  9744896 .
  2. ^ "Синаптическая обрезка мозга продолжается до 20 лет" . Новый ученый . Проверено 19 июня 2018 .
  3. ^ Иглесиас, Дж .; Eriksson, J .; Grize, F .; Tomassini, M .; Вилла, А. (2005). «Динамика отсечения в моделируемых крупномасштабных спайковых нейронных сетях». Биосистемы . 79 (9): 11–20. DOI : 10.1016 / j.biosystems.2004.09.016 . PMID 15649585 . 
  4. ^ Азеведо, Фредерико AC; Карвалью, Людмила РБ; Гринберг, Леа Т .; Фарфель, Хосе Марсело; Ферретти, Рената Э.Л .; Лейте, Рената EP; Филхо, Уилсон Джейкоб; Великий пост, Роберто; Геркулано-Хузель, Сюзана (2009). «Равное количество нейрональных и ненейронных клеток делает человеческий мозг изометрически увеличенным мозгом приматов». Журнал сравнительной неврологии . 513 (5): 532–41. DOI : 10.1002 / cne.21974 . PMID 19226510 . 
  5. ^ a b Craik, F .; Белосток, Э. (2006). «Познание на протяжении всей жизни: механизмы изменения». Тенденции в когнитивных науках . 10 (3): 131–138. CiteSeerX 10.1.1.383.9629 . DOI : 10.1016 / j.tics.2006.01.007 . ISSN 1364-6613 . PMID 16460992 .   
  6. ^ a b c d e Vanderhaeghen, P .; Cheng, HJ. (2010). "Направляющие молекулы в сокращении аксонов и гибели клеток" . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (6): 1–18. DOI : 10.1101 / cshperspect.a001859 . PMC 2869516 . PMID 20516131 .  
  7. ^ a b c Чечик, Гал; Мейлиджисон, Исаак; Руппин, Эйтан (1999). «Нейронная регуляция: механизм синаптического отсечения во время созревания мозга». Нейронные вычисления . 11 (8): 2061–80. CiteSeerX 10.1.1.33.5048 . DOI : 10.1162 / 089976699300016089 . PMID 10578044 .  
  8. ^ a b c Абиц, Дамгаард; и другие. (2007). «Избыток нейронов в медиодорсальном таламусе новорожденного человека по сравнению с таковым у взрослого» . Кора головного мозга . 17 (11): 2573–2578. DOI : 10.1093 / cercor / bhl163 . PMID 17218480 . 
  9. ^ Джон Р. Ризенберг (2000). «Катастрофическое забывание в нейронных сетях»
  10. ^ Гул Мухаммад Хан (2017). «Эволюция искусственного нейронного развития: в поисках обучающихся генов»
  11. ^ Станислас Деан (2014). «Сознание и мозг: расшифровка того, как мозг кодирует наши мысли»
  12. ^ П. Майкл Конн (2011). "Справочник по моделям старения человека"
  13. ^ Низкий, LK .; Cheng, HJ. (2006). «Отсечение аксонов: важный шаг, лежащий в основе пластичности нейронных связей в развитии» . Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 361 (1473): 1531–1544. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1883 . PMC 1664669 . PMID 16939973 .  
  14. ^ Багри, Анил; Ченг, Хвай-Чжон; Ярон, Авраам; Удовольствие, Сэмюэл Дж .; Тесье-Лавин, Марк (2003). «Стереотипное сокращение длинных ветвей аксона гиппокампа, вызванное индукторами ретракции семейства семафоринов». Cell . 113 (3): 285–299. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (03) 00267-8 . PMID 12732138 . 
  15. ^ Luo, L .; Фланаган, Г. (2007). «Разработка непрерывных и дискретных нейронных карт». Нейрон . 56 (2): 284–300. DOI : 10.1016 / j.neuron.2007.10.014 . PMID 17964246 . 
  16. ^ Xu, N .; Хенкемейер, М. (2009). «Обратная передача сигналов эфрина-B3 через Grb4 и регуляторы цитоскелета опосредует отсечение аксонов» . Природа Неврологии . 12 (3): 268–276. DOI : 10.1038 / nn.2254 . PMC 2661084 . PMID 19182796 .  
  17. ^ Бишоп, DL .; Misgeld, T .; Уолш, МК .; Gan, WB .; Lichtman, JW. (2004). «Удаление ветви аксона при развитии синапсов путем отторжения аксосом». Нейрон . 44 (4): 651–661. DOI : 10.1016 / j.neuron.2004.10.026 . PMID 15541313 . 
  18. ^ a b «Микроглия, недостающее звено в материнской иммунной активации и нервном развитии плода; и возможное звено в преэклампсии и нарушениях нервного развития?» . Журнал репродуктивной иммунологии . 126 : 18–22. 2018-04-01. DOI : 10.1016 / j.jri.2018.01.004 . ISSN 0165-0378 . 
  19. ^ a b c Кешаван, Матчери; Лизано, Пауло; Прасад, Конасале (2020). «Гипотеза синаптического отсечения шизофрении: обещания и проблемы» . Мировая психиатрия . 19 (1): 110–111. DOI : 10.1002 / wps.20725 . ISSN 2051-5545 . PMC 6953570 . PMID 31922664 .   
  20. ^ a b c d e Sellgren, Carl M .; Грасиас, Джессика; Уотмафф, Брэдли; Biag, Jonathan D .; Танос, Джессика М .; Whittredge, Paul B .; Фу, Тинг; Уоррингер, Кэтлин; Браун, Ханна Э .; Ван, Дженнифер; Кайкас, Аджамете (март 2019 г.). «Повышенное устранение синапсов микроглией в моделях синаптического отсечения, полученных от пациентов с шизофренией» . Природа Неврологии . 22 (3): 374–385. DOI : 10.1038 / s41593-018-0334-7 . ISSN 1546-1726 . PMC 6410571 . PMID 30718903 .