Войти
Аксо-аксонический синапс - это тип синапс, образованный одним нейроном, проецирующим свои аксонные окончания на аксон.
другого нейрона. Аксоаксонические синапсы были обнаружены и описаны позже, чем другие более известные типы синапсы, такие как аксо-дендритные синапсы и аксо-соматические синапсы. Пространственно-временные свойства нейронов изменяются типом синапсов, образованных между нейронами. В отличие от других типов, аксо-аксонный синапс не способствует запуску потенциала действия в постсинаптическом нейроне. Вместо этого он влияет на вероятность высвобождения нейромедиатора в ответ на любой потенциал действия, проходящий через аксон постсинаптического нейрона. Таким образом, аксо-аксонические синапсы, по-видимому, очень важны для мозга в достижении специализированных нейронных вычислений.
Аксо-аксонические синапсы обнаруживаются по всей центральной нервной системе, в том числе в гиппокампе, коре головного мозга и полосатом теле у млекопитающих; в нервно-мышечных связях в ракообразных ; и в зрительной схеме у двукрылых. Аксоаксонические синапсы могут вызывать либо ингибирующий, либо возбуждающий эффекты в постсинаптическом нейроне. Классический пример роли аксо-аксонных синапсов - это тормозящие эффекты на мотонейроны в спинально-соматической рефлекторной дуге. Это явление известно как пресинаптическое торможение.
Иллюстрация аксо-аксонного синапса, сформированного между концом пресинаптического нейрона и аксоном постсинаптического нейрона. Сложные взаимосвязи нейронов образуют нейронные сети, которые отвечают за различные типы вычислений в мозгу. Нейроны получают входные данные в основном через дендриты, которые играют роль в пространственно-временных вычислениях, приводя к срабатыванию потенциала действия, который впоследствии перемещается к синаптическим терминалам, проходя мимо. через аксоны. В зависимости от их местоположения синапсы можно разделить на различные виды, такие как аксо-дендритный синапс, аксо-соматический синапс и аксо-аксональный синапс. Префикс здесь указывает на часть пресинаптического нейрона (например, «аксо-» для аксонов), а суффикс представляет место, где синапс формируется на постсинаптическом нейроне (то есть «-дендритный» для дендритов, «-соматический» для тела клетки и «-аксонический» для синапсов на аксонах). Местоположение синапса будет определять роль этого синапса в сети нейронов. В аксо-дендритных синапсах пресинаптическая активность будет влиять на пространственно-временные вычисления в постсинаптических нейронах, изменяя электрический потенциал в дендритной ветви. Принимая во внимание, что аксо-соматический синапс будет влиять на вероятность запуска потенциала действия в постсинаптическом нейроне, вызывая тормозящие или возбуждающие эффекты непосредственно на тело клетки.
, тогда как другие типы синапсов модулируют постсинаптическую нейронную активность, аксо-аксонные синапсы демонстрируют тонкие эффекты на передачу нейронной информации на сетевом уровне. В таких синапсах активность пресинаптических нейронов не будет изменять мембранный потенциал (т.е. деполяризовать или гиперполяризовать ) тела клетки постсинаптических нейронов, потому что пресинаптические нейроны проецируются непосредственно на аксоны постсинаптических нейронов. Таким образом, аксо-аксонный синапс будет в основном влиять на вероятность нейротрансмиттера высвобождения везикул в ответ на запуск потенциала действия в постсинаптическом нейроне. В отличие от других видов синапсов, аксо-аксонный синапс манипулирует эффектами возбуждения постсинаптического нейрона на нейроны, расположенные дальше по течению в сети. Из-за механизма работы аксо-аксонных синапсов большинство из этих синапсов являются тормозящими, но некоторые из них проявляют возбуждающие эффекты в постсинаптических нейронах.
Первое прямое свидетельство существования аксо-аксонических синапсов был предоставлен EG Gray в 1962 году. Gray произвел фотографии с помощью электронной микроскопии аксо-аксонических синапсов, сформированных на терминалах мышц афферентов, участвующих в спинальная соматическая рефлекторная дуга в спинном мозге кошки срезы. Позже Грей придумал термин «аксо-аксонный» после получения фотографических подтверждений от двенадцати аксо-аксонных синапсов. В течение следующих двух лет ученые обнаружили аксо-аксонные синапсы в различных других местах нервной системы у разных животных, например, в сетчатке кошек и голубей, в латеральном коленчатом ядре обезьян, обонятельной луковицы мышей и различных долей мозга осьминога. Это дополнительно подтвердило существование аксо-аксонных синапсов в головном мозге разных типов животных.
До открытия аксо-аксонных синапсов физиологи предсказывали возможность таких механизмов еще в 1935 году после своих наблюдений электрофизиологических записей и квантовый анализ сегментов мозга. Они наблюдали тормозные реакции в постсинаптических мотонейронах при подготовке среза моносинаптической рефлекторной дуги. Во время одновременных записей пресинаптических и постсинаптических нейронов физиологи не могли понять нечастое торможение, наблюдаемое в постсинаптическом нейроне, без изменений мембранного потенциала пресинаптического нейрона. В то время это явление было известно как «пресинаптическое тормозящее действие» - термин, предложенный Карлом Франком в 1959 году, а затем хорошо резюмированный Джоном Экклсом в его книге. После открытия Грэем аксо-аксонного синапса в 1962 году ученые подтвердили, что это явление на самом деле связано с аксо-аксонным синапсом, присутствующим в рефлекторной дуге.
Совсем недавно, в 2006 году, исследователи обнаружили первые доказательства того, что возбуждающие эффекты, вызванные аксо-аксонным синапсом. Они обнаружили, что ГАМКергические нейроны проецируются на аксоны пирамидных клеток в коре головного мозга, образуя аксо-аксонный синапс и вызывая возбуждающие эффекты в корковых микросхемах.
Ниже приведены участки мозга, в которых находятся аксо-аксонные синапсы у разных животных.
Рисунок коры мозжечка, показывающий аксо-аксонные синапсы (зеленый), образованный проекциями клеток корзины (розовый) на клетки Пуркинье (синий) на бугре аксона. аксонический синапс в коре мозжечка первоначально появился на одном из рисунков Сантьяго Рамона-и-Кахала в его книге, опубликованной в 1909 году. Позже с помощью электронной микроскопии это было подтвердили, что аксон корзиночной клетки проецируется на бугорок аксона клеток Пуркинье в коре мозжечка у кошек и других млекопитающих, образуя аксо-аксональные синапсы. Первая электрофизиологическая характеристика аксо-аксонного синапса, сформированного на клетках Пуркинье, была проведена в 1963 году, когда было обнаружено, что аксоны пресинаптических корзинчатых клеток ингибируют конечный выход постсинаптических клеток Пуркинье через аксо-аксонный синапс. Исследование на уровне сети показало, что гранулярные клетки (также известные как параллельные волокна), которые активировали клетки Пуркинье, также активировали клетки корзины, которые впоследствии подавляли действие клеток Пуркинье на нижележащую сеть.
Аксо-аксонические синапсы обнаруживаются в зрительной коре (в V1 и V2) у млекопитающих и хорошо изучены у кошек, крыс и приматов, таких как обезьяны. Синапс формируется на начальных сегментах аксонов пирамидных клеток в нескольких слоях зрительной коры. Проектирующие нейроны для этих синапсов происходят из различных частей центральной нервной системы и неокортекса. Точно так же аксо-аксонные синапсы обнаруживаются в моторной коре, в субикулуме и в грушевидной коре. В полосатом коре головного мозга, как показали метод Гольджи и электронная микроскопия, на одной пирамидной клетке формируются до пяти аксо-аксонных синапсов. В коре головного мозга тормозящие аксо-аксональные синапсы могут играть широко распространенную роль в активности сетевого уровня, обеспечивая синхронизированную активацию пирамидных клеток, по существу, модулируя порог выхода этих клеток. Эти синапсы также обнаруживаются на начальных сегментах аксонов в пирамидных клетках соматосенсорной коры и в первичной обонятельной коре, которые, как установлено, являются тормозными. Изучая расположение аксо-аксонных синапсов в первичной обонятельной коре, исследователи предположили, что аксо-аксонические синапсы могут играть решающую роль в синхронизации колебаний в грушевидной коре (в обонятельной коре), что помогает обоняние. Аксо-аксонные синапсы также находятся в гиппокампе. Обнаружено, что эти синапсы образуются в основном на основных клетках в stratum oriens и stratum pyramidale и редко на stratum radiatum; они обычно получают проекции от ГАМКергических местных интернейронов. Горизонтальные интернейроны показывают ламинарное распределение дендритов и участвуют в аксо-аксонных синапсах в гиппокампе, которые получают прямые синаптические входы от пирамидных клеток CA1. Таким образом, в целом эти исследования показывают, что аксо-аксонные синапсы могут обеспечивать основной механизм обработки информации в коре головного мозга.
Микроскопические исследования в полосатом теле ранее предполагалось редкое появление аксо-аксонных синапсов в отдельных участках. Экстраполяция топологических данных предполагает гораздо большее количество таких синапсов в полосатом теле, где ранее постулировалась терапевтическая роль аксо-аксонических синапсов в лечении шизофрении. В этом исследовании авторы исследовали 4811 синапсов в срезах полосатого тела крысы, и 15 из них оказались аксо-аксонными синапсами. Эти аксо-аксонные синапсы образованы дофаминергическими тормозящими интернейронами (на пресинаптической стороне), проецирующимися на аксоны глутаматергических кортико-полосатых волокон в полосатом теле крысы.
Аксоаксонические синапсы обнаруживаются в ядре тройничного нерва в стволе мозга. Электронно-микроскопические исследования ствола мозга котят позволили количественно определить синаптогенез аксо-аксонных синапсов в ядре тройничного нерва спинного мозга в разном возрасте развития мозга. Авторы идентифицировали синапсы путем подсчета пузырьков, высвобожденных в синаптической щели, что можно наблюдать на микрофотографиях. Показано, что аксо-аксонические контакты постоянно увеличиваются на протяжении всего периода развития, начиная с 3-часового возраста до 27-дневного возраста у котят. Наибольшая скорость синаптогенеза наблюдается в течение первых 3-6 дней, в конце которых ядро тройничного нерва спинного мозга котенка будет иметь почти половину аксо-аксонных синапсов, имеющихся у взрослых кошек. Позже, в возрасте от 16 до 27 дней, происходит еще один всплеск аксо-аксонного синаптогенеза. Аксо-аксонические синапсы также наблюдаются в одиночном ядре (также известном как ядро солитарного тракта), уникально в комиссуральной части в нейроанатомических исследованиях, в которых для маркировки аксо-аксонных синапсов использовался 5-гидроксидофамин. Аксо-аксонические синапсы образуются на концах барорецептора пресинаптическими адренергическими волокнами и, как предполагается, играют роль в барорефлексе.
Аксоаксонические синапсы обнаружены в спинальной рефлекторной дуге млекопитающих и в Substantia gelatinosa of Rolando (SGR). В спинном мозге аксо-аксонные синапсы образуются на терминалах сенсорных нейронов с пресинаптическими тормозными интернейронами. Эти синапсы сначала изучаются с использованием внутриклеточных записей спинномозговых мотонейронов у кошек, и было показано, что они вызывают пресинаптическое торможение. Это, по-видимому, общий механизм в спинном мозге, в котором ГАМКергические интернейроны подавляют пресинаптическую активность сенсорных нейронов и в конечном итоге контролируют активность моторных нейронов, обеспечивая избирательный контроль над мышцами. В попытках количественно оценить возникновение аксо-аксонных синапсов в области SGR у крыс, 54 таких синапса были обнаружены среди 6045 исследованных синапсов. Было показано, что эти 54 аксо-аксонных синапса имеют либо агранулярные пузырьки, либо большие гранулярные пузырьки.
Аксо-аксонические синапсы обнаруживаются в латеральном вестибулярном ядре в крысы. Аксо-аксонные синапсы образуются из малых аксонов интернейронов на терминалы аксонов больших аксонов, которые расположены выше основного дендритного ствола. Интересно, что авторы утверждали, что аксо-аксональные синапсы, которых много у крыс, отсутствуют в латеральном вестибулярном ядре у кошек. Они отмечают, что все типы терминалей аксонов, идентифицированные и описанные у кошек, обнаруживаются у крыс, но обратное неверно, потому что аксоны, образующие аксо-аксонные синапсы, отсутствуют у кошек. Предполагается, что эти синапсы позволяют выполнять сложные нейронные вычисления для вестибулярного рефлекса у крыс.
Аксо-аксонические синапсы находятся в клетки маутнера у золотой рыбки. бугорок аксона и начальные сегменты аксона маутнеровских клеток получают терминалы из чрезвычайно тонких немиелинизированных волокон, которые покрывают бугорок аксона спиральными выступами. Эти спиральные выступы вокруг клеток маутнера также известны как крышка аксона. Разница между аксо-аксонными синапсами и другими синапсами на клетках маутнера заключается в том, что синапсы на дендритах и соме получают миелинизированные волокна, в то время как аксоны получают немиелинизированные волокна. Клетки Маутнера - это большие нейроны, которые участвуют в быстрых рефлексах бегства у рыб. Таким образом, эти аксо-аксонные синапсы могут выборочно отключать сеть ускользания, контролируя влияние клеток Маутнера на нейронную сеть дальше по течению. Изучение морфологической вариации аксо-аксонных синапсов на бугре аксона в маутнеровских клетках предполагает, что эволюционно эти синапсы более новые, чем маутнеровские клетки. Ответ на испуг можно картировать филогенетически, что подтверждает, что базальные актиноптеригийские рыбы с небольшими или отсутствующими аксо-аксонными синапсами на клетках маутнера демонстрируют худшую реакцию бегства, чем рыбы с аксо-аксонами.
Тормозящие аксо-аксональные синапсы обнаружены в ракообразных нервно-мышечных соединениях и широко изучались у раков. Аксо-аксонные синапсы формируются на возбуждающих аксонах в виде постсинаптического нейрона двигательными нейронами с пресинаптической стороны. Моторные нейроны, которые являются обычным ингибитором сгибателей конечностей крабов и дополнительных сгибателей конечностей, образуют аксо-аксональные синапсы в дополнение к нервно-мышечному соединению с мышцами у раков. Эти синапсы впервые были обнаружены в 1967 году, когда было обнаружено, что они вызывают пресинаптическое торможение в мышцах ног раков и крабов. Последующие исследования показали, что аксо-аксонные синапсы имеют разное количество случаев в зависимости от расположения мышц ног от нервной системы. Например, проксимальные области имеют в три раза больше аксо-аксонных синапсов, чем центральные области. Предполагается, что эти синапсы функционируют путем ограничения высвобождения нейромедиаторов для контролируемых движений ног.
Пример физиологической роли образующихся аксо-аксонических синапсов ГАМКергические ингибирующие интернейроны к аксонам гранулярных клеток вызывают спонтанные припадки, которые являются ключевым симптомом трудноизлечимой эпилепсии. Было обнаружено, что пресинаптические ингибирующие интернейроны, которые могут быть помечены холецистокинином и GAT-1, модулируют спайковый выход гранулярных клеток. Эти же клетки впоследствии проецируют возбуждающие мшистые волокна на пирамидные нейроны в области гиппокампа CA3.
Одна из двух ведущих теорий патоэтиологии шизофрения - это теория глутамата. Глутамат является хорошо изученным нейротрансмиттером из-за его роли в обучении и памяти, а также в развитии мозга в пренатальном и детском возрасте. Исследования полосатого тела крысы показали, что на глутаматергических кортико-полосатых волокнах формируются тормозные аксо-аксонные синапсы. Они предположили, что эти аксо-аксонные синапсы в полосатом теле могут быть ответственны за ингибирование глутаматергических нейронов. Кроме того, предполагается, что эти дофаминергические синапсы вызывают гипердофаминергическую активность и становятся нейротоксичными для постсинаптических глутаматергических нейронов. Предполагается, что этот механизм является возможным механизмом дисфункции глутамата при наблюдаемой шизофрении.
Исследование спинного мозга у мышей предполагает, что сенсорный комплекс Ig / Caspr4 участвует в формировании аксо-аксонических синапсы на проприоцептивных афферентах. Эти синапсы образуются посредством проекции ГАМКергических интернейронов на сенсорные нейроны, которые расположены выше моторных нейронов. В аксо-аксоническом синапсе экспрессия корецепторного комплекса NB2 (Contactin5) / Caspr4 в постсинаптических нейронах наряду с экспрессией NrCAM / CHL1 в пресинаптических интернейронах приводит к увеличению числа таких синапсов, формирующихся в спинном мозге. Кроме того, отключение NB2 из сенсорных нейронов уменьшило количество аксо-аксонных синапсов от ГАМКергических интернейронов, что предполагает необходимость и роль NB2 в синаптогенезе аксо-аксонического типа синапсов.
