Нейронное обратное распространение

Нейронное обратное распространение — это явление, при котором после того, как потенциал действия нейрона создает скачок напряжения по аксону (нормальное распространение), другой импульс генерируется из сомы и распространяется к апикальным частям дендритного дерева или дендритов (от которых произошла большая часть первоначального входного тока). В дополнение к активному обратному распространению потенциала действия существует также пассивное электротоническое распространение. Хотя существует достаточно доказательств, подтверждающих существование обратно распространяющихся потенциалов действия, функция таких потенциалов действия и степень, в которой они проникают в самые дистальные дендриты, остаются весьма спорными.

Когда градуированные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) деполяризуют сому до порога спайка на аксонном холмике , сначала аксон испытывает распространяющийся импульс через электрические свойства его потенциалзависимых натриевых и потенциалзависимых калиевых каналов. Сначала в аксоне возникает потенциал действия, поскольку исследования показывают, что натриевые каналы на дендритах демонстрируют более высокий порог, чем на мембране аксона (Рапп и др., 1996). Более того, потенциалзависимые натриевые каналы на дендритных мембранах, имеющие более высокий порог, помогают предотвратить запуск ими потенциала действия от синаптического входа. Вместо этого, только когда сома достаточно деполяризуется от накопления градуированных потенциалов и запуска аксонального потенциала действия, эти каналы будут активированы для распространения сигнала, идущего в обратном направлении (Рапп и др., 1996). Как правило, ВПСП от синаптической активации недостаточно велики, чтобы активировать дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы (обычно порядка пары миллиампер каждый), поэтому обычно считается, что обратное распространение происходит только тогда, когда клетка активируется для запуска потенциала действия. Эти натриевые каналы на дендритах в изобилии присутствуют в определенных типах нейронов, особенно в митральных и пирамидальных клетках, и быстро инактивируются. Первоначально считалось, что потенциал действия может распространяться по аксону только в одном направлении (к терминалу аксона, где он в конечном итоге сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров). Однако недавние исследования предоставили доказательства существования обратно распространяющихся потенциалов действия (Staley 2004).

Если говорить более подробно, нейронное обратное распространение может происходить одним из двух способов. Во-первых, во время инициации аксонального потенциала действия тело клетки, или сома, также может деполяризоваться. Эта деполяризация может распространяться по телу клетки к дендритному дереву , где находятся потенциалзависимые натриевые каналы. Деполяризация этих потенциалзависимых натриевых каналов может затем привести к распространению дендритного потенциала действия. Такое обратное распространение иногда называют эхом распространяющегося вперед потенциала действия (Staley 2004). Также было показано, что потенциал действия, инициированный в аксоне, может создавать ретроградный сигнал, который распространяется в противоположном направлении (Hausser 2000). Этот импульс распространяется вверх по аксону, в конечном итоге вызывая деполяризацию тела клетки, тем самым запуская дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы. Как описано в первом процессе, запуск дендритных потенциалзависимых кальциевых каналов приводит к распространению дендритного потенциала действия.

Важно отметить, что сила обратно распространяющихся потенциалов действия сильно различается между различными типами нейронов (Hausser 2000). Некоторые типы нейрональных клеток показывают незначительное или нулевое уменьшение амплитуды потенциалов действия по мере того, как они проникают и проходят через дендритное дерево, в то время как другие типы нейрональных клеток, такие как нейроны Пуркинье мозжечка , демонстрируют очень небольшое обратное распространение потенциала действия (Stuart 1997). Кроме того, существуют другие типы нейрональных клеток, которые проявляют различную степень уменьшения амплитуды во время обратного распространения. Считается, что это связано с тем, что каждый тип нейрональных клеток содержит различное количество потенциалзависимых каналов, необходимых для распространения дендритного потенциала действия.

Обычно синаптические сигналы, получаемые дендритом, объединяются в соме, чтобы сгенерировать потенциал действия, который затем передается по аксону к следующему синаптическому контакту. Таким образом, обратное распространение потенциалов действия создает угрозу инициирования неконтролируемой положительной обратной связи между сомой и дендритами. Например, когда потенциал действия был запущен, его дендритное эхо могло бы войти в дендрит и потенциально запустить второй потенциал действия. Если его не остановить, будет создан бесконечный цикл потенциалов действия, запускаемых их собственным эхом. Чтобы предотвратить такой цикл, большинство нейронов имеют относительно высокую плотность каналов K + типа А.

Каналы K+ типа А относятся к суперсемейству потенциалзависимых ионных каналов и являются трансмембранными каналами, которые помогают поддерживать мембранный потенциал клетки (Cai 2007). Как правило, они играют решающую роль в возвращении клетки к ее покоящейся мембране после потенциала действия, позволяя ингибирующему току ионов K+ быстро вытекать из нейрона. Наличие этих каналов в такой высокой плотности в дендритах объясняет их неспособность инициировать потенциал действия даже во время синаптического входа. Кроме того, наличие этих каналов обеспечивает механизм, с помощью которого нейрон может подавлять и регулировать обратное распространение потенциалов действия через дендрит (Vetter 2000). Фармакологические антагонисты этих каналов способствовали частоте обратно распространяющихся потенциалов действия, что демонстрирует их важность в предотвращении чрезмерной активации клетки (Waters et al., 2004). Результаты показали линейное увеличение плотности каналов A-типа с увеличением расстояния в дендрите от сомы. Увеличение плотности каналов типа А приводит к ослаблению обратно распространяющегося потенциала действия по мере его продвижения в дендрит. По сути, ингибирование происходит потому, что каналы типа А облегчают отток ионов K+ для поддержания мембранного потенциала ниже пороговых значений (Cai 2007). Такое ингибирование ограничивает ВПСП и защищает нейрон от попадания в бесконечную петлю положительно-положительной обратной связи между сомой и дендритами.

С 1950-х годов появились доказательства того, что нейроны в центральной нервной системе генерируют потенциал действия , или скачок напряжения, который проходит как через аксон, чтобы подать сигнал следующему нейрону, так и обратно распространяется через дендриты , посылая ретроградный сигнал его пресинаптическим сигнальным нейронам. Этот ток значительно затухает с длиной пути вдоль дендритов, поэтому прогнозируется, что эффекты будут более значительными для нейронов, синапсы которых находятся вблизи тела постсинаптической клетки, причем величина зависит в основном от плотности натриевых каналов в дендрите. Она также зависит от формы дендритного дерева и, что более важно, от скорости сигнальных токов к нейрону. В среднем скачок обратного распространения теряет около половины своего напряжения, пройдя почти 500 микрометров.

Обратное распространение происходит активно в неокортексе , гиппокампе , черной субстанции и спинном мозге , тогда как в мозжечке оно происходит относительно пассивно. Это согласуется с наблюдениями, что синаптическая пластичность гораздо более выражена в таких областях, как гиппокамп, который контролирует пространственную память, чем мозжечок, который контролирует больше бессознательных и вегетативных функций.

Обратный ток также вызывает изменение напряжения, которое увеличивает концентрацию Ca ²⁺ в дендритах, событие, которое совпадает с определенными моделями синаптической пластичности. Это изменение также влияет на будущую интеграцию сигналов, приводя по крайней мере к кратковременной разнице в ответе между пресинаптическими сигналами и постсинаптическим спайком. ^[1]

Хотя на многие вопросы, касающиеся нейронного обратного распространения, еще предстоит ответить, существует ряд гипотез относительно его функции. Некоторые предлагаемые функции включают участие в синаптической пластичности , участие в дендродендритическом торможении, усиление синаптических реакций , сброс мембранного потенциала, ретроградные действия в синапсах и условный аксональный выход. Считается, что обратное распространение помогает формировать LTP (долгосрочную потенциацию) и пластичность Хебба в синапсах гиппокампа. Поскольку искусственная индукция LTP с использованием микроэлектродной стимуляции, зажима напряжения и т. д. требует, чтобы постсинаптическая клетка была слегка деполяризована при возникновении ВПСП, обратное распространение может служить средством деполяризации постсинаптической клетки.

Обратно распространяющиеся потенциалы действия могут вызывать долгосрочную потенциацию, действуя как сигнал, который информирует пресинаптическую клетку о том, что постсинаптическая клетка активировалась. Более того, пластичность, зависящая от времени спайка, известна как узкий временной интервал, в течение которого совпадающая активация как пре-, так и постсинаптических нейронов будет вызывать пластичность. Нейронное обратное распространение происходит в этом окне для взаимодействия с рецепторами NMDA на апикальных дендритах, помогая в удалении чувствительного к напряжению блока Mg2+ (Waters et al., 2004). Этот процесс обеспечивает большой приток кальция, который провоцирует каскад событий, вызывающих потенциацию.

Текущая литература также предполагает, что обратно распространяющиеся потенциалы действия также отвечают за высвобождение ретроградных нейротрансмиттеров и трофических факторов, которые способствуют краткосрочной и долгосрочной эффективности между двумя нейронами. Поскольку обратно распространяющиеся потенциалы действия по сути демонстрируют копию аксонального паттерна нейронной активности, они помогают установить синхронность между пре- и постсинаптическими нейронами (Waters et al., 2004).

Важно отметить, что обратные потенциалы действия необходимы для высвобождения нейротрофического фактора мозга ( BDNF ). BDNF является важным компонентом для индукции синаптической пластичности и развития (Kuczewski N., Porcher C., Ferrand N., 2008). Более того, было показано, что обратные потенциалы действия вызывают BDNF-зависимое фосфорилирование белка, связывающего элемент ответа циклического AMP (CREB), который, как известно, является основным компонентом синаптической пластичности и формирования памяти (Kuczewski N., Porcher C., Lessmann V., et al. 2008).

Хотя обратно распространяющийся потенциал действия может предположительно вызывать изменения в весе пресинаптических связей, не существует простого механизма для сигнала ошибки, который мог бы распространяться через несколько слоев нейронов, как в алгоритме обратного распространения компьютера . Однако простые линейные топологии показали, что эффективные вычисления возможны посредством обратного распространения сигнала в этом биологическом смысле. ^[2]

• Бужаки, Г; Кандель, А (1998). «Обратное сомадендритное распространение потенциалов действия в пирамидальных клетках коры бодрствующей крысы». Журнал нейрофизиологии . 79 (3): 1587–91. doi :10.1152/jn.1998.79.3.1587. PMID  9497436.
• Рапп, М.; Яром, И.; Сегев, И. (октябрь 1996 г.). «Моделирование обратно распространяющегося потенциала действия в слабовозбудимых дендритах пирамидальных клеток неокортекса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (21): 11985–11990. Bibcode : 1996PNAS...9311985R. doi : 10.1073/pnas.93.21.11985 . PMC  38170. PMID  8876249 .
• Water, J; Schaefer, A; Sakmann, B (сентябрь 2004 г.). «Обратное распространение потенциалов действия в нейронах: измерение, механизмы и потенциальные функции». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 87 (1): 145–170. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.009 . PMID  15471594.
• Kuczewski, N; Porcher, C; Ferrand, N; et al. (Июль 2008). «Обратное распространение потенциалов действия запускает дендритное высвобождение BDNF во время спонтанной сетевой активности». The Journal of Neuroscience . 28 (27): 7013–7023. doi :10.1523/JNEUROSCI.1673-08.2008. PMC  6670985 . PMID  18596175.
• Кучевски, Н.; Порчер, К.; Лессманн, В.; и др. (октябрь 2008 г.). «Обратно распространяющийся потенциал действия». Коммуникативная и интегративная биология . 1 (2): 153–155. doi :10.4161/cib.1.2.7058. PMC 2686006.  PMID 19704877  .

• Берешполова, Y; Амитай, Y; Гусев, AG; Stoelzel, CR; Swadlow, HA (август 2007). «Дендритное обратное распространение и состояние бодрствующего неокортекса». J Neurosci . 27 (35): 9392–9. doi :10.1523/JNEUROSCI.2218-07.2007. PMC  6673133 . PMID  17728452.
• Рожа, Б; Катона, Г; Касас, А; Шипёк, Р; Визи, ЕС (январь 2008 г.). «Дендритные никотиновые рецепторы модулируют потенциалы обратного распространения действия и долговременную пластичность интернейронов». Eur J Neurosci . 27 (2): 364–77. дои : 10.1111/j.1460-9568.2007.05999.x. PMID  18215234. S2CID  29118109.
• Waters, J; Schaefer, A; Sakmann, B (январь 2005 г.). «Обратное распространение потенциалов действия в нейронах: измерение, механизмы и потенциальные функции». Prog Biophys Mol Biol . 87 (1): 145–70. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.009 . PMID  15471594.
• Бендер, ВА; Фельдман, Д.Е. (июль 2006 г.). «Динамический пространственный градиент обучения Хебба в дендритах». Neuron . 51 (2): 153–5. doi : 10.1016/j.neuron.2006.07.003 . PMID  16846850.
• Migliore, M; Shepherd, GM (август 2007 г.). «Дендритные потенциалы действия соединяют распределенные дендродендритные микросхемы». J Comput Neurosci . 24 (2): 207–21. doi :10.1007/s10827-007-0051-9. PMC  3752904 . PMID  17674173.
• Лоу, Г. (июль 2002 г.). «Ингибирование обратно распространяющихся потенциалов действия во вторичных дендритах митральных клеток». J. Neurophysiol . 88 (1): 64–85. doi :10.1152/jn.2002.88.1.64. PMID  12091533. S2CID  2660187.
• Cai, S; Li, W; Sesti, F (2007). «Множественные режимы регуляции калиевого тока типа А». Current Pharmaceutical Design . 13 (31): 3178–3184. doi :10.2174/138161207782341286. PMID  18045167.
• Хауссер, М. и др. (2000). «Разнообразие и динамика дендритной сигнализации». Science . 290 (5492): 739–744. Bibcode :2000Sci...290..739H. doi :10.1126/science.290.5492.739. PMID  11052929.
• Staley, K (2004). «Эпилептические нейроны становятся беспроводными». Science . 305 (5683): ​​482–483. doi :10.1126/science.1101133. PMID  15273382. S2CID  142534849.
• Стюарт, Г. и др. (1997). «Инициация и обратное распространение потенциала действия в нейронах ЦНС млекопитающих». Тенденции в нейронауках . 1997 (2): 125–131. doi :10.1016/s0166-2236(96)10075-8. PMID  9061867. S2CID  889625.
• Стюарт, Г. Сакманн Б. (1994). «Активное распространение соматических потенциалов действия в дендриты пирамидальных клеток неокортекса». Nature . 367 (6458): 69–72. Bibcode :1994Natur.367...69S. doi :10.1038/367069a0. PMID  8107777. S2CID  205025149.
• Vetter P, et al. Распространение потенциалов действия в дендритах зависит от морфологии дендритов. Американское физиологическое общество 2000; 926-937