Низкопороговые шипы - Low-threshold spikes

Низкопороговые шипы (LTS) относится к мембране деполяризации посредством Кальциевый канал Т-типа. LTS возникают при низкой отрицательной деполяризации мембраны. Они часто следуют за мембраной гиперполяризация, что может быть результатом снижения возбудимости или усиленного торможения. LTS приводит к тому, что нейрон достигает порога для потенциал действия. LTS - это большая деполяризация из-за увеличения Ca2+ проводимости, поэтому LTS опосредуется кальций (Ca2+) проводимость. Шип обычно венчает лопаться от двух до семи потенциалов действия, что известно как низкопороговый всплеск. LTS зависят от напряжения и деактивируются, если ячейка находится в состоянии покоя. мембранный потенциал более деполяризован, чем -60 мВ. LTS деинактивируются или восстанавливаются после инактивации, если клетка гиперполяризована и может быть активирована деполяризационными входами, такими как возбуждающие постсинаптические потенциалы (EPSP).[1] LTS были обнаружены Родольфо Ллинас и коллеги в 1980-х.[2][3]

Физиология

Ритмичность

Дальнейшая информация: Неврология ритма

Ритмогенез в нейроне возникает из-за нестабильности, связанной с потенциалом покоя. Такая нестабильность может быть объяснена свойствами низкопороговых кальциевых токов. Ток активируется при температуре около -60 мВ, что позволяет генерировать всплеск с низким порогом при потенциале покоя или около него.[4]

В несколько недавних открытиях было показано, что клетки, поддерживаемые на гиперполяризованном уровне, проявляют внутреннюю ритмичность, что приводит к спонтанному колебательному поведению из-за Ca2+ управляемая деполяризация. В результате происходит один или несколько коротких всплесков импульсов, за которыми следует гиперполяризация, а затем реполяризация перед следующим всплеском.[5]

Кинетика LTS

Исследование, проведенное Gutierrez et al. изучили кинетику спайков с низким порогом, чтобы лучше понять их значение для нормального функционирования мозга. Экспериментально было установлено, что четыре ионных тока вносят вклад в низкопороговые выбросы, генерируя три отдельные фазы после гиперполяризация. Переходные наружные токи K + следующие потенциалы действия может вызвать гиперполяризацию, что приводит к скачкам с низким порогом. Первоначальный ток омической утечки, состоящий из ионов K + и Na +, характеризует первую фазу. За этим следует активируемый гиперполяризацией "провисающий" ток, который способствует медленной деполяризации мембранного потенциала. Внутренний Ca2+ ток через Кальциевые каналы Т-типа это последняя фаза и основной ток, ответственный за большую переходную деполяризацию. Это перекрывает другие токи после активации каналов Т-типа. Остальные токи в первую очередь влияют на активацию LTS.[6]

Кальциевый канал Т-типа

В Кальциевый канал Т-типа находится в нейронах по всему мозгу. Эти каналы производят особенно большие токи в таламических, перегородочных и сенсорных нейронах. Из-за их активации возле мембранный потенциал покоя, а также их быстрое восстановление после инактивации, они способны генерировать низкопороговые всплески, что приводит к всплеску потенциалы действия.

Каналы Т-типа играют роль вторичного водителя ритма в нейронах, у которых мембранный потенциал покоя составляет от -90 до -70 мВ, поскольку они играют важную роль в генезе импульсного возбуждения. An возбуждающий постсинаптический потенциал (EPSP) открывает каналы, создавая таким образом LTS. LTS запускает Na+-зависимые потенциалы действия и активирует высоковольтную активацию кальций каналы.[7]

Пики с низким порогом порождают стрельбу очередями

Доказательства наличия низкопорогового кальциевого тока были впервые описаны в нейроны нижнего оливарного ядра (1981). Это ядро ​​генерирует синхронную ритмическую активность, которая при определенных условиях проявляется в виде тремора. Низкопороговые кальциевые спайки были описаны в нейронах из различных ядер головного мозга, включая таламическое реле, ретикулярную формацию медиального моста, латеральные габенулы, перегородку, глубокие ядра мозжечка, CA1-CA3 гиппокампа, ассоциативную кору, паравентрикулярные и преоптические ядра. гипоталамуса, спинного шва, бледного шара, полосатого тела и субталамического ядра.

Таламические ретрансляционные клетки демонстрируют два типа ответов. Один из режимов ответа - это релейный или тонический режим, при котором клетка деполяризована, а LTS инактивированы. Это приводит к тонизирующему возбуждению потенциалов действия. Второй ответ - это импульсный режим, при котором клетка гиперполяризована и обычно отвечает LTS и связанными с ними всплесками потенциалов действия.[8]

В общем, LTS не может быть запущена деполяризацией нейрона из-за мембранного потенциала покоя. LTS наблюдается после того, как гиперполяризационный импульс доставляется к нейрональной клетке, что называется «деинактивацией» и является результатом восстановления каналов после инактивации.

LTS часто срабатывают после тормозящий постсинаптический потенциал (IPSP) из-за быстрого восстановления кальциевых каналов Т-типа во время IPSP и их открытия, так как происходит возврат к мембранному потенциалу покоя.

Существует сильная корреляция между амплитудой LTS и количеством потенциалов действия, возникающих в результате LTS. Вблизи дендритных участков активированных рецепторов деполяризация Т-каналов намного больше, чем в соме. Активация либо метаботропных глутаматных, либо мускариновых рецепторов приводит к гиперполяризационному сдвигу во взаимосвязи между амплитудой LTS и начальным потенциалом мембраны. Это влияет на максимальную амплитуду LTS. Это означает, что существует зависимость между амплитудой LTS и напряжением и, следовательно, результирующим количеством генерируемых потенциалов действия.[9]

LTS опосредуется Ca2+ проводимость

Когда гиперполяризация мембраны в этих интернейронах поддерживается на определенном уровне кальция проводимость уменьшается, если не деактивировать полностью. Это приводит к тому, что поляризация мембраны не находится в правильном диапазоне для одиночных спайков и, следовательно, возникают «всплески». Таким образом, LTS зависит от проводимости кальция.[10]

Подавление серотонином низкопорогового спайка

В полосатое тело, ядро ​​в базальный ганглий, содержит низкопороговые спайковые интернейроны. Базальные ганглии выполняют множество функций, включая непроизвольный контроль моторики, эмоции и познание. Эти интернейроны производят оксид азота и регулируются нейротрансмиттерами, в частности серотонин, выпущенный из мозговой ствол. Серотонин подавляет эти интернейроны. Это было изучено на трансгенных мышах, у которых интернейроны оксида азота были помечены зеленым с использованием зеленый флуоресцентный белок (GFP). Серотонин связывается с рецепторами серотонина на интернейроне (5-HT2c), что увеличивает проводимость калия и впоследствии снижает возбудимость нейрона.[11]

Исследование

Большая часть исследований, проведенных на LTS, касалась клеток латерального коленчатого ядра кошки. Все релейные клетки таламуса испытывают эти специфические зависящие от напряжения кальциевые токи, и кошка оказалась полезным модельным видом для изучения. Различные вариации методов токовых клещей в дополнение к моделированию пролили свет на многие аспекты этого явления.

Недавно были проведены исследования кальциевого канала Т-типа и того, как модуляция этих каналов может позволить лечить различные неврологические и психологические расстройства, такие как шизофрения, слабоумие, мания, и эпилепсия. Однако это все еще новая область исследований.[12] Известно, что кальциевые каналы Т-типа играют роль в импульсных разрядах абсансы. Противоэпилептические препараты могут контролировать абсанс, подавляя кальциевые каналы Т-типа, что предотвращает токи низкого напряжения.[13]

Амплитуда Ca2+ шип

Было показано, что амплитуда LTS напрямую коррелирует с размером переходного Ca2+ ток, который лежит в основе LTS в определенных нейрональных клетках. Они запускаются комбинацией гиперполяризованной мембраны или деинактивацией Ca2+ каналы, и надпороговый деполяризующий вход. Амплитуда Ca2+ спайк, следовательно, преимущественно зависит от уровня предшествующей гиперполяризации мембраны и деполяризующего входа.

Однако было продемонстрировано, что LTS являются событиями по принципу «все или ничего» из-за регенеративной природы явления. Как и следующие за ними потенциалы действия, LTS мало различаются по амплитуде или форме при разных удерживающих потенциалах. Это означает, что надпороговые деполяризующие входы не влияют на амплитуду, а только влияют на начальную активацию LTS. Количество деинактивации определяет проводимость Са2+ каналов и является основным фактором, влияющим на амплитуду LTS. Также было высказано предположение, что активность каналов K + выпрямителя с задержкой может влиять на амплитуду LTS. Поэтому считается, что импульсное возбуждение, вызванное LTS, используется как сигнал включения / выключения, в отличие от тонического возбуждения, которое градуировано и более чувствительно к интенсивности деполяризующих входов.[10]

Задержка Ca2+ шип

Задержка LTS - это время между импульсом деполяризации и его пиком. Было показано, что в отличие от амплитуда, на него напрямую влияет величина начального деполяризующего тока. Это происходит из-за взаимодействия между первоначальным, направленным наружу омическим откликом, который представляет собой утечку ионов K + из ячейки в ответ на изменение мембранный потенциал, и зависящее от напряжения стробирование Кальциевые каналы Т-типа.

Задержка уменьшается с увеличением тока деполяризации, который превышает выходящий омический ток и быстрее деполяризует мембрану. Это быстрее активирует экспоненциальный рост Ca2+ шип. Это уменьшение происходит более резко с токами деполяризации, приближающимися к пороговому значению, и более постепенно, когда вводимый ток превышает пороговое значение. Задержка не может быть уменьшена дальше определенного деполяризующего тока и становится почти однородной с любым большим током. Это привело к гипотезе о том, что пакетная сигнализация в результате LTS с более сильными активирующими входами более стабильна, чем LTS из-за околопороговых активирующих входов.[10]

Болезнь Паркинсона

В таламус отвечает за передачу сенсорных и моторных сигналов на кора головного мозга. Поэтому было проведено много исследований низкопороговых спайков в нейронах таламуса и того, как это может быть связано с болезнь Паркинсона и соответствующая потеря двигательной функции. Гипо-брадикинезия, как видно при болезни Паркинсона, улучшается за счет медиального таламотомия; это предполагает, что это вызвано вмешательством таламических всплесков LTS в корковые функции.[14]

Было обнаружено, что LTS возникают в боковом таламусе человека во время сна; однако они исчезают, как только пациент просыпается. Аномальная активность разрыва LTS, которая была отмечена у бодрствующих пациентов с паркинсонизмом, предполагает связь между клиническим состоянием и этой нейрональной активностью.[15]

Рекомендации

  1. ^ Битти, Дж. А .; Салливан, М. А .; Morikawa, H .; Уилсон, К. Дж. (2012). «Сложные автономные модели возбуждения полосатых низкопороговых спайковых интернейронов». Журнал нейрофизиологии. 108 (3): 771–81. Дои:10.1152 / ян.00283.2012. ЧВК  3424086. PMID  22572945.
  2. ^ Llinás, R .; Яром Ю. (июнь 1981 г.). «Электрофизиология нижних оливковых нейронов млекопитающих in vitro. Различные типы потенциалзависимой ионной проводимости». Журнал физиологии. 315: 549–567. Дои:10.1113 / jphysiol.1981.sp013763. ISSN  0022-3751. ЧВК  1249398. PMID  6273544.
  3. ^ Llinás, R .; Яром Ю. (июнь 1981 г.). «Свойства и распределение ионных проводимостей, вызывающих электрореагирование нижних оливковых нейронов млекопитающих in vitro». Журнал физиологии. 315: 569–584. Дои:10.1113 / jphysiol.1981.sp013764. ISSN  0022-3751. ЧВК  1249399. PMID  7310722.
  4. ^ Гутник, MJ; Яром, Y (1989). «Низкопороговые скачки кальция, собственные нейрональные колебания и генерация ритма в ЦНС». Журнал методов неврологии. 28 (1–2): 93–9. Дои:10.1016/0165-0270(89)90014-9. PMID  2657227.
  5. ^ Llinas, R. R .; Стериаде, М. (2006). «Взрыв таламических нейронов и состояния бдительности». Журнал нейрофизиологии. 95 (6): 3297–308. Дои:10.1152 / ян.00166.2006. PMID  16554502.
  6. ^ Гутьеррес, Каролина; Cox, Charles L .; Ринзель, Джон; Шерман, С. Мюррей (1 февраля 2001 г.). «Динамика низкопороговой активации спайка в ретрансляционных нейронах латерального коленчатого ядра кошки». Журнал неврологии. 21 (3): 1022–32. Дои:10.1523 / jneurosci.21-03-01022.2001. ЧВК  6762305. PMID  11157087.
  7. ^ Перес-Рейес, Эдвард (2003). "Молекулярная физиология низковольтно-активированных кальциевых каналов Т-типа". Физиологические обзоры. 83 (1): 117–61. Дои:10.1152 / физрев.00018.2002. PMID  12506128.
  8. ^ Лу, СМ; Гвидо, Вт; Шерман, С.М. (декабрь 1992 г.). "Влияние мембранного напряжения на свойства рецептивного поля латеральных коленчатых нейронов у кошек: вклад низкопорогового Ca2+ проводимость ». Журнал нейрофизиологии. 68 (6): 2185–98. Дои:10.1152 / ян.1992.68.6.2185. PMID  1337104.
  9. ^ Жан, XJ; Кокс, CL; Шерман, С.М. (2000). «Дендритная деполяризация эффективно ослабляет низкопороговые выбросы кальция в ретрансляционных клетках таламуса». Журнал неврологии. 20 (10): 3909–14. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.20-10-03909.2000. ЧВК  6772701. PMID  10804230.
  10. ^ а б c Жан, XJ; Кокс, CL; Ринзель, Дж; Шерман, С.М. (1999). «Текущий зажим и моделирование исследований низкопороговых кальциевых шипов в клетках латерального коленчатого ядра кошки». Журнал нейрофизиологии. 81 (5): 2360–73. Дои:10.1152 / ян.1999.81.5.2360. PMID  10322072.
  11. ^ Каинс, Сара; Blomeley, Craig P .; Браччи, Энрико (2012). «Серотонин подавляет низкопороговые спайковые интернейроны в полосатом теле». Журнал физиологии. 590 (10): 2241–52. Дои:10.1113 / jphysiol.2011.219469. ЧВК  3424750. PMID  22495583.
  12. ^ Сивек, Магдалена; Хенселер, Кристина; Бройх, Карл; Папазоглу, Анна; Weiergräber, Марко (2012). "Ca с ограничением по напряжению2+ Канал, опосредованный Ca2+ Приток в эпилептогенезе ». В исламе, М. Шахидул (ред.). Сигнализация кальция. Успехи экспериментальной медицины и биологии. 740. С. 1219–47. Дои:10.1007/978-94-007-2888-2_55. ISBN  978-94-007-2887-5. PMID  22453990.
  13. ^ Очоа, Дж; Уиллиз, Р. (2012). «Противоэпилептические препараты». Ссылка на Medscape.
  14. ^ Jeanmonod, D .; Magnin, M .; Морель, А. (1996). «Низкопороговые выбросы кальция в таламусе человека». Мозг. 119 (2): 363–75. Дои:10.1093 / мозг / 119.2.363. PMID  8800933.
  15. ^ Магнин, М; Морель, А; Жанмоно, Д. (2000). «Однокомпонентный анализ паллидума, таламуса и субталамического ядра у пациентов с паркинсонизмом». Неврология. 96 (3): 549–64. Дои:10.1016 / S0306-4522 (99) 00583-7. PMID  10717435.