Synaptogenes är processen för synapsbildning mellan nervceller i nervsystemet . Synaptogenes sker under hela livet av en frisk person, och den snabba bildandet av synapser observeras i de tidiga stadierna av hjärnans utveckling [1] . Synaptogenes är särskilt viktig under den kritiska perioden av individuell utveckling (i utvecklingsbiologi, den period då nervsystemet är särskilt känsligt för exogena stimuli), när det finns ett intensivt flöde av synaptisk beskärning på grund av neuronernas och deras synapsers konkurrens om neuronala tillväxtfaktorer . Synapser som inte deltar eller deltar svagt i informationsbearbetning, såväl som oanvända eller underutnyttjade processer hos neuroner, kommer inte att utvecklas ordentligt och kommer att elimineras i framtiden [2] .
Den neuromuskulära junction (NJC) är den mest välstuderade av alla typer av synapser, det är en enkel och tillgänglig struktur för manipulation och observation. Denna synaps i sig består av tre celler: en motorneuron , en myocyt och en Schwann-cell (neurolemmocyt). I en normalt fungerande synaps orsakar en signal från en motorneuron depolarisering av myocytmembranet, vilket sker via signalsubstansen acetylkolin . Acetylkolin frisätts av motorneuronens axon till den synaptiska klyftan, där det når kolinerga receptorer på sarcolemma , myocytmembranet. Bindning av acetylkolin till receptorer leder till öppning av jonkanaler , depolarisering av membranet och den efterföljande kaskad av kemiska reaktioner, vilket resulterar i muskelkontraktion. Utanför är synapsen inkapslad och isolerad av myelinskidan från Schwann-cellen [3] . En annan viktig del av det centrala och perifera nervsystemet är astrocyter . Även om man från början trodde att deras funktion bara var strukturell, är det nu känt att de spelar en viktig roll i synapsernas funktionella plasticitet [4] .
Under utvecklingen uppstår var och en av de tre celltyperna som nämns ovan från olika regioner av det utvecklande embryot . Enskilda myoblaster utvecklas från mesodermen och smälter samman för att bilda en polyenergisk (multinukleär) muskelfiber. Under eller kort efter fiberbildning börjar neuralrörets motorneuroner bilda sina första kontakter med den. Schwann-celler uppstår från nervkammen och reser tillsammans med axonerna till sin destination. När de når muskelfibern bildar de ett löst, omyeliniserat hölje av axonerna som innerverar musklerna. Rörelsen av axoner (och därmed Schwann-celler) styrs av tillväxtkonen, en filamentös projektion av axonet som aktivt riktar sig mot neurotrofiner som frigörs av muskelfibern.
Studiet av mönstren för bildning och distribution av neuromuskulära synapser visar att en betydande del av kopplingarna är lokaliserade i muskelfiberns mittpunkt. Även om det kan tyckas att axoner initialt riktar sig mot detta lokus, tyder flera faktorer på annat. Tydligen, efter den första kontakten med axonet, fortsätter den unga fibern att växa symmetriskt från innervationspunkten. I kombination med det faktum att den höga tätheten av kolinerga receptorer är resultatet av kontakt med axonet, och inte dess orsak, kan mönster av muskelfiberbildning associeras med både individuell myopatisk tillväxt och axonal innervation av fibern.
Signalöverföring längs den primära kontakten mellan motorneuronen och muskelfibern börjar nästan omedelbart, men den överförda impulsen är mycket svag. Det finns bevis för att Schwann-celler, med hjälp av små signalmolekyler, kan förstärka impulser genom att öka intensiteten av spontan frisättning av neurotransmittorer [5] . Efter ungefär en vecka genomgår motorneuronen och muskelfibern en differentieringsprocess, som fullbordar bildandet av en fullt fungerande synaps. Innerveringen av det ursprungliga axonet är kritisk eftersom axonerna efter det har en hög benägenhet att bilda kontakter med en redan etablerad, stabiliserad synaps.
Den mest märkbara förändringen i muskelfibern som sker efter kontakt med en motorneuron är en ökad koncentration av kolinerga receptorer på plasmamembranet vid kontaktpunkten mellan neuron och myocyt. Denna ökning av antalet receptorer möjliggör effektivare överföring av synaptiska signaler, vilket i sin tur leder till bildandet av en mer utvecklad synaps. Receptordensiteten är >10 000/µm 2 i centrum och ungefär 10/µm 2 i periferin. En sådan hög koncentration av kolinerga receptorer i synapsen uppnås genom deras klustring, uppreglering av uttrycket av motsvarande gener i kärnorna hos postsynaptiska celler och nedreglering av uttrycket av dessa gener i kärnorna hos presynaptiska celler. Signaler som initierar postsynaptisk differentiering kan vara signalsubstanser som frigörs direkt från axonet till muskelfibern, eller så kan de förekomma externt och kommer in i den synaptiska klyftan utifrån [6] .
ClusteringKlustring på det postsynaptiska membranet sker till stor del på grund av proteoglykanen Agrin, som utsöndras av motorneuron-axonen och främjar receptormultimerisering. Agrin binder till receptorn muskelspecifikt kinas (MuSK) på det postsynaptiska membranet, och detta leder i sin tur till efterföljande aktivering av det cytoplasmatiska proteinet Rapsyn. Det är rapsin som innehåller domäner som gör att det kan klunga ihop många kolinerga receptorer på membranet: muskelceller från möss mutant för detta protein kunde inte bilda kluster av kolinerga receptorer.
Synapsspecifik transkriptionEn ökad koncentration av kolinerga receptorer uppnås inte bara genom manipulering av redan existerande synaptiska komponenter. Axonet kan, med hjälp av signalering, reglera genuttrycket i muskelcellens kärna på transkriptionsnivån . Allt detta händer också för att öka intensiteten av lokal klustring av receptorer på membranet. I synnerhet är två molekyler involverade i signalering: ett protein från kalcitoninfamiljen (Calcitoningen-relaterad peptid) och en medlem av neuregulinfamiljen av proteiner (så kallad för sin roll i regleringen av neuronala molekylära processer). Dessa två proteiner orsakar en kaskad av kemiska reaktioner som involverar olika kinaser , vilket i slutändan leder till aktivering av transkription av kolinerga receptorgener [7] .
Extrasynaptisk förtryckDe nybildade synapserna kan generera elektriska signaler som påverkar de omgivande extrasynaptiska cellerna på ett sådant sätt att de avsevärt minskar uttrycket av kolinerga receptorgener. Noggrannheten hos impulsen som skickas av axonet till det postsynaptiska membranet uppnås exakt genom att samtidigt minska koncentrationen av receptorer utanför synapsen och öka deras antal inuti den. Eftersom synapsen börjar ta emot input nästan omedelbart efter bildandet av den neuromuskulära övergången, genererar axonet snabbt en aktionspotential och frisätter acetylkolin. Depolarisering orsakad av bindningen av acetylkolin till dess receptorer initierar muskelkontraktion och samtidigt hämning av transkription av receptorgener i muskelfiberceller runt synapsen. Det bör noteras att effekten verkar på avstånd, och receptorerna som sitter direkt på det postsynaptiska membranet är inte undertryckta.
Även om mekanismerna som styr presynaptisk differentiering är okända, är förändringarna som sker i den utvecklande axonala terminalen ganska väl karakteriserade. Volymen och arean av synaptisk kontakt, volymen av vesiklar, koncentrationen av vesiklar i den aktiva zonen av synapsen, såväl som polariseringen av det presynaptiska membranet ökar. Dessa förändringar tros förmedlas av neurotrofin och olika celladhesionsmolekyler som frisätts av myocyten; detta belyser vikten av kopplingen mellan motorneuronen och muskelfibern i processen för synaptogenes. Man tror att det är förändringen i genuttryck och omfördelningen av synapsens beståndsdelar som är nyckelmomenten för pre- och postsynaptisk differentiering. Detta stöds också av ökat uttryck av vesikulära proteingener kort efter synapsbildning, såväl som deras alokalisering i den axonala terminalen.
Omogna synapser visar multipel innervering på grund av den höga benägenheten hos nya axoner att binda till redan existerande synapser. När de mognar separeras synapserna och i slutändan finns bara ett axon kvar vid ingången; detta sker i en process som kallas synapseliminering. Dessutom, genom invagination, ökar den postsynaptiska sidan den neurotransmittormottagande ytan. I de tidiga stadierna av ontogenes bildar Schwann-celler ett löst, icke-myeliniserande hölje som täcker en grupp synapser, men när de växer och utvecklas smalnar kompetensgränserna för en enskild neurolemmocyt till en synaps.
Eliminering av synapsenSynapseliminering, som en av mekanismerna för synaptisk beskärning, innebär en process som direkt beror på aktiviteten hos konkurrerande axoner. När det gäller en viss synaps, om frekvensen av inmatningsimpulser är tillräcklig för att skapa en aktionspotential, kommer detta att provocera uttrycket av synaptotrofinproteingener i kärnan av den postsynaptiska myocyten, och dessa proteiner kommer att upprätthålla denna synaps. En positiv återkopplingsmekanism uppstår som är otillgänglig för mindre efterfrågade synapser, som därför är dömda till eliminering. Det har också föreslagits att, förutom de synaptotropiner som frisätts vid aktiva synapser, orsakar depolarisering av deras postsynaptiska membran frisättning av axonhämmande synaptotoxiner vid inaktiva synapser.
En anmärkningsvärd aspekt av synaptogenes är det faktum att motorneuroner kan skilja mellan snabba och långsamma muskelfibrer; Snabba muskelfibrer innerveras av "snabba" motorneuroner, och långsamma muskelfibrer innerveras av "långsamma" motorneuroner. Det finns två hypotetiska vägar genom vilka motorneuronaxoner uppnår denna specificitet; dessa vägar skiljer sig från varandra i ett nyckelögonblick - graden av selektivitet i vilken axonet och muskelfibern som innerveras av den interagerar med varandra, graden av bearbetning av axonet av indata från myocyten. Den första hypotesen antyder att axoner väljer en "snabb" eller "långsam" väg beroende på de signalsubstanser som är olika i snabba och långsamma muskelfibrer. Dessutom observeras selektivitet även i de tidiga stadierna, när axoner är orienterade i förhållande till muskelfibrer så att ett visst axon innerverar en viss muskelcell. Den andra hypotesen är att axonets rörelse och dess koppling till en specifik myocyt tillhandahålls av den extracellulära matrisen som badar axonet, det vill säga inte axonets slutmål, utan miljön bestämmer dess öde. Slutligen kan det vara så att bildandet av den neuromuskulära korsningen inte är förutbestämd, och muskelfibrerna får sina snabba eller långsamma egenskaper efteråt, beroende på egenskaperna hos det innerverande axonet. Om så är fallet, kan "snabba" motorneuroner omvandla vilken muskelfiber som helst till en snabbryckning. Det finns mycket bevis för alla de möjligheter som beskrivs, vilket gör att man tenderar att tänka på deras kombination i processen för synapsbildning.
Data som erhållits i studier av neuromuskulära synapser kan extrapoleras till processerna för synaptogenes i CNS, även om studierna av de senare är mycket nyare. Dessa två typer av anslutningar har mycket gemensamt. Båda typerna av synapser har en konserverad grundstruktur: den presynaptiska nervterminalen, den synaptiska klyftan och den mottagande postsynaptiska cellen. Båda typerna av synapser innehåller en hög koncentration av vesiklar i det aktiva stället, kluster av receptorer på det mottagande membranet, och slutligen isoleras båda av specialiserade gliaceller. Processerna som förekommer i dem är också ganska konservativa. Dessa är receptorklustring och en lokaliserad ökning av intensiteten av proteinsyntes i aktiva centra, och synaptisk beskärning genom att eliminera inaktiva synapser.
Trots ovanstående likheter finns det en grundläggande skillnad mellan dessa två föreningar. Eftersom myocyten inte längre fungerar som en postsynaptisk cell är de aktiva receptorerna och deras neurotransmittorer fundamentalt olika. Ännu viktigare är att neuroner inom CNS innerveras av många andra neuroner samtidigt och måste kunna integrera och bearbeta en stor mängd input när muskelfibrer innerveras av en enda neuron och dras ihop som svar på en enda impuls. I kombination med den plasticitet som är inneboende i neurala anslutningar har det neurala nätverket i CNS en enorm potential för komplexitet.
Homologen av acetylkolin och dess receptorer i CNS är glutamat- och N-metyl-D-aspartatreceptorer (NMDA). Aktivering av NMDA-receptorer har visat sig initiera en kaskad av kemiska reaktioner som leder till synapsbildning och stabilisering . En ökad nivå av NMDA-receptoraktivitet under synapsutveckling möjliggör ökat kalciuminflöde, vilket fungerar som en sekundär signal. Dessutom aktiverar transkriptionsfaktorer primära svarsgener (GRP), som spelar en viktig roll i sådana processer som till exempel långsiktig potentiering. [8] NMDA-receptorfunktion är också associerad med östrogenreceptorer i hippocampus. Experiment gjorda med östradiol visar att exponering för östrogen signifikant ökar synapsdensiteten och proteinkoncentrationen. [9]
Överföringen av en nervimpuls under synaptogenes beror inte bara på aktiviteten hos en enda synaps, utan också på miljön som omger denna synaps. Till exempel produceras hjärnhärledd neurotrofisk faktor (BDNF) av hjärnan och reglerar flera funktioner i den utvecklande synapsen, inklusive ökad frisättning av neurotransmittorer, ökad vesikelkoncentration och kolesterolbiosyntes. Kolesterol är en viktig strukturell komponent i lipiddubbelskiktet, som fungerar som en plats för olika signaleringsinteraktioner. BDNF-mutanter visar signifikanta defekter i neuronal tillväxt och synapsbildning. [10] Förutom neurotrofiner spelar celladhesionsmolekyler också en viktig roll i synaptogenes. På många sätt beror synaptogenes på den korrekta lokala bindningen av en adhesionsmolekyl till en annan. Det har visat sig att defekter i generna som kodar för neuroliginproteiner , en av de viktigaste celladhesionsmolekylerna som spelar en roll i processen för synapsstabilisering, är associerade med vissa fall av autism och mental retardation. [11] Slutligen kan många av dessa signaleringsprocesser regleras av matrismetalloproteinaser (MMP).
MorfologiMycket dynamiska webbplatser som tar emot flera inkommande impulser samtidigt är dendritiska ryggraden . Denna morfologiska dynamik beror på den specifika regleringen av aktincytoskelettet, vilket i sin tur tillåter reglering av synapsbildning. [12] Morfologiskt kan dendritiska ryggar delas in i tre huvudtyper: filopodia, smala ryggar och svampformade ryggar. Filopodia initierar kontakt med andra nervcellers axoner. Filopodia av nybildade neuroner tenderar att bilda kontakter med axoner som innerverar flera synapser, medan filopodia av äldre neuroner binder övervägande med axoner som innerverar en enda synaps. På grund av den höga dynamiken kan vissa typer av ryggar passera in i andra, till exempel omvandlas filopodia lätt till svampliknande ryggar, som är de primära platserna för glutamatreceptorer. [13]
Ekologisk berikning är en term för stimulering av den utvecklande hjärnan av den fysiska och sociala miljön. Ekologisk anrikning leder till att effektiviteten av synaptogenesprocesser ökar avsevärt. Således visar råttor odlade i ett medium med en sådan effekt en ökning av antalet synapser med 25 % jämfört med kontrollen. [14] [15] Denna effekt observeras oavsett om stimulansmiljön inträffar omedelbart efter födseln, [16] strax efter avvänjning, [17] eller under vuxen ålder. [18] Inte bara för pyramidala neuroner, utan också för stellateuroner, orsakar miljöberikning en explosion av synaptogenes. [19]
I Wnt- proteinfamiljen finns det flera embryonala morfogen (ämnen som bestämmer vävnadsmorfogenes) som bidrar till den tidiga bildandet av strukturer i det utvecklande embryot. Nya bevis visar bidraget från denna familjs morfogen till synaptogenes och plasticitet , där familjen bidrar till synaptogenes av både CNS-synapser och neuromuskulära synapser.
I cerebellära synapser inducerar Wnt-familjen mognad av pre- och postsynaptiska ändelser. Denna region av hjärnan innehåller tre huvudtyper av neuroner: Purkinje-celler , granulceller och mossiga fiberceller. I Purkinje-celler stimulerar Wnt-3 tillväxten av både dendriter och axoner. [20] [21] Granulära celler uttrycker Wnt-7a, vilket inducerar tillväxt och förgrening av axoner i mossiga fiberceller. Retrograd utsöndring av Wnt-7a riktad mot mossiga fibrer orsakar en ökning av axonens tillväxtkon genom att öka antalet mikrotubuli . Dessutom orsakar retrograd Wnt-7a-signalering ackumulering av synaptiska vesiklar och presynaptiska proteiner i den aktiva zonen av synapsen. Bnt-5A utför en liknande funktion i postsynaptiska granulceller; Wnt-5-signalering stimulerar sammansättningen av receptorer på membranet, såväl som klustringen av ställningsproteinet PSD-95 på membranet.
I hippocampus främjar Wnt-familjens proteiner, i kombination med cellelektrisk aktivitet, också synapsbildning. Wnt7b uttrycks i mogna dendriter; dessutom ökar uttrycket av receptorer från Frizzled (Fz)-familjen, specifika för Wnt-proteiner, i att utveckla synapser. Glutamat NMDA-receptorer aktiveras som svar på uttrycket av proteiner av Wnt-2-typ. Långsiktig potentiering på grund av NMDA-receptoraktivering och efterföljande Wnt-uttryck leder till klustring av receptorer av Fz-5-typ på membranet av postsynaptiska celler. Dessutom ökar Wnt-7a- och Wnt-2-typerna av signalering, efter långvarig potentiering förmedlad på detta sätt, intensiteten av den dendritiska förgreningsprocessen och reglerar även synaptisk plasticitet. Blockering av uttrycket av proteiner från Wnt-familjen leder naturligt till hämning av dessa processer. [22]
Liknande mekanismer som medieras av Wnt-familjen i CNS observeras väl i de neuromuskulära förbindelserna. I Drosophila leder mutationer i Wnt-5-receptorn i neuromuskulära synapser till en minskning av antalet och densiteten av aktiva centra. Den huvudsakliga signalsubstansen i detta system är glutamat. Proteiner från Wnt-familjen är nödvändiga för korrekt lokalisering av glutamaterga receptorer på myocyternas postsynaptiska membran. Mutationer i proteinerna i denna familj leder till en minskning av intensiteten av depolarisationsvågen efter att impulsen har överförts från axonet till muskelfibern.
Hos ryggradsdjur, i neuromuskulära synapser, främjar uttrycket av Wnt-11r-proteinet klustringen av kolinerga receptorer på det postsynaptiska membranet av muskelceller. Wnt-3-proteinet uttrycks av muskelfibrer och utsöndras retrogradt till motorneuroner. I motorneuroner arbetar Wnt-3 tillsammans med Agrin för att stimulera tillväxtkonexpansion, axonal terminal förgrening och synaptisk vesikelkluster.