WikiDer > Синаптическая обрезка

Synaptic pruning
Модельный вид синапс

Синаптическая обрезка, фаза в развитие нервной системы, это процесс синапс устранение, которое происходит в период между ранним детством и началом полового созревания у многих млекопитающие, включая люди.[1] Обрезка начинается незадолго до рождения и продолжается до середины 20 лет.[2] Во время обрезки оба аксон и дендрит распадаться и отмирать. Он традиционно считался завершенным ко времени половое созревание, но это было не учтено исследованиями МРТ.[3]

Мозг младенца увеличится в размере до 5 раз к взрослой жизни, достигнув окончательного размера примерно 86 (± 8) миллиардов. нейроны.[4] Этому росту способствуют два фактора: рост синаптических связей между нейронами и миелинизация из нервные волокна; однако общее количество нейронов 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 она представляет собой учусь.[5]

Вариации

Нормативная обрезка

При рождении нейроны зрительной и моторной коры связаны с верхний холмик, спинной мозг, и мосты. Нейроны в каждой коре выборочно обрезаются, оставляя связи, которые установлены с функционально соответствующими центрами обработки. Следовательно, нейроны в зрительная кора отсекают синапсы с нейронами спинного мозга, а моторная кора разрывает связи с верхним бугорком. 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 обилие связей, видимых в нейрогенез, чтобы создать конкретную и зрелую схему. Апоптоз и отсечение - два основных метода отсечения нежелательных связей. При апоптозе нейрон погибает, и все связи, связанные с нейроном, также удаляются. Напротив, нейрон не умирает при обрезке, но требует ретракции аксоны от синаптических связей, которые не подходят с функциональной точки зрения.

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

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 на конкурсной основе. Выбор обрезанных концевых валов осуществляется в соответствии с принципом «используй или потеряй», рассмотренным в синаптическая пластичность. Это означает, что часто используемые синапсы имеют сильные связи, а редко используемые синапсы устраняются. Примеры, наблюдаемые у позвоночных, включают обрезку окончаний аксонов в нервномышечное соединение в периферическая нервная система и обрезка альпинистское волокно входы в мозжечок в Центральная нервная система.[6]

Что касается людей, то синаптическая обрезка наблюдалась путем вывода различий в оценочном количестве глиальные клетки и нейроны между детьми и взрослыми, которые сильно различаются медиодорсальное таламическое ядро.

В исследовании, проведенном в 2007 г. Оксфордский университет, исследователи сравнили мозг 8 новорожденных людей с мозгом 8 взрослых, используя оценки, основанные на размере и данных, собранных из стереологический фракционирование. Они показали, что в среднем оценки популяций взрослых нейронов были на 41% ниже, чем у новорожденных в области, которую они измеряли, - 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 головном мозге взрослых по сравнению с 10,6 миллиона в образцах новорожденных.[8] Считается, что структура мозга меняется, когда вырождение и деафферентация происходит в послеродовых ситуациях, хотя в некоторых исследованиях эти явления не наблюдались.[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 субстрате. -кортикальный серое вещество.

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.

Забывание проблем с обучением через обрезку

Все попытки построить искусственный интеллект системы, которые обучаются путем отсечения неиспользуемых соединений, имеют проблему, заключающуюся в том, что каждый раз, когда они узнают что-то новое, они забыть все, что они 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 предполагается, что обучение является 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

Одна из теорий, объясняющих, почему многие мозги синаптически обрезаются, когда человек или другой примат вырастает, заключается в том, что поддержание синапсов потребляет питательные вещества которые могут потребоваться в других частях тела во время роста и полового созревания. Эта теория не предполагает психической функции синаптической обрезки. 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 неотенический Тип, при котором снижение 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, чтобы пройти через половое созревание, а другой могут созревать половым путем за счет других перенаправлений питательных веществ, которые не связаны 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 гипотеза ограниченного функционального генетического пространства, ограниченного 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

Три модели, объясняющие сокращение синапсов, - это дегенерация аксонов, ретракция аксонов и отторжение аксонов. Во всех случаях синапсы формируются временным терминал аксона, а устранение синапсов вызвано обрезкой аксонов. Каждая модель предлагает свой метод удаления аксона для удаления синапса. Считается, что при мелкомасштабной обрезке аксонов нервная активность является важным регулятором,[нужна цитата] но молекулярный механизм остается неясным. Гормоны и трофические факторы считаются главными внешними факторами, регулирующими крупномасштабную стереотипную обрезку аксонов.[6]

Дегенерация аксонов

В Дрозофила, в нервной системе во время метаморфоза. Метаморфоза запускается экдизон, и в этот период происходит обширная обрезка и реорганизация нейронной сети. Таким образом, предполагается, что сокращение Дрозофила запускается активацией рецепторов экдизона. Денервация исследования нервно-мышечного соединения позвоночных показали, что механизм удаления аксона очень похож на Валлеровское вырождение.[13] Однако глобальная и одновременная обрезка наблюдается у Дрозофилия отличается от обрезки нервной системы млекопитающих, которая происходит локально и на нескольких стадиях развития.[6]

Ретракция аксона

Ветви аксона втягиваются в дистальный к проксимальный манера. Считается, что ретрактируемое аксональное содержимое 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. Семафорин лиганды и рецепторы нейропилины и плексины используются для индукции ретракции аксонов, чтобы инициировать отсечение гиппокампо-септального и инфрапирамидного пучков (IPB). Было обнаружено, что стереотипная обрезка выступов гиппокампа значительно нарушена 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 гиппокамп дородовой, потерянный послеродовой и возвращается в страта ориентиров. 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 порогового уровня белка в течение нескольких дней после обнаружения. мРНК выражение.[14] Обрезка аксонов вдоль зрительного нерва кортикоспинальный тракт (CST) является дефектным 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 ретинотопия формирование. Эфрин и рецепторы эфрина, Eph, как было обнаружено, регулируют и направляют ветви аксонов сетчатки. Прямая передача сигналов между эфрином-A и EphA по передний-задний оси, было обнаружено, что ингибирует образование ветвей аксона сетчатки позади терминальной зоны. Прямая передача сигналов также способствует отсечке аксонов, которые достигли терминальной зоны. Однако остается неясным, применяется ли механизм ретракции, наблюдаемый при обрезке IPB, в аксонах сетчатки.[15]

Обратная передача сигналов между белками эфрина-B и их Eph рецепторные тирозинкиназы было обнаружено, что запускает механизм втягивания в IPB. Наблюдается, что эфрин-B3 преобразует зависимые от фосфорилирования тирозина обратные сигналы в аксоны гиппокампа, которые запускают отсечение избыточных волокон IPB. Предлагаемый путь включает экспрессию EphB на поверхности клеток-мишеней, что приводит к фосфорилированию тирозина эфрина-B3. Последующее связывание эфрина-B3 с цитоплазматическим адаптерным белком, Grb4, приводит к привлечению и связыванию Док180 и активированные киназы p21 (ПАК). Связывание Dock180 увеличивает уровни Rac-GTP, а PAK опосредует передачу сигналов активного Rac что приводит к втягиванию аксона и возможной обрезке.[16]

Линька аксонов

Покадровая визуализация удаляющихся аксонов в нервно-мышечные соединения мышей показали отщепление аксонов как возможный механизм сокращения. Отступающий аксон переместился в дистальный к проксимальный порядок и напоминал ретракцию. Однако было много случаев, когда остатки сбрасывались по мере втягивания аксонов. Остатки, названные аксосомами, содержали те же органеллы, что и в луковицах, прикрепленных к концам аксонов, и обычно обнаруживались в непосредственной близости от луковиц. Это указывает на то, что аксосомы происходят от луковиц. Кроме того, аксосомы не имели электронно-плотных цитоплазмы или нарушен митохондрии что указывает на то, что они не образовались в результате валлеровского вырождения.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чечик, Г; Meilijson, I; Руппин, Э (1998). «Синаптическая обрезка в разработке: вычислительный счет». Нейронные вычисления. 10 (7): 1759–77. CiteSeerX 10.1.1.21.2198. Дои:10.1162/089976698300017124. PMID 9744896.
  2. ^ «Синаптическая обрезка мозга продолжается и после 20 лет». Новый ученый. Получено 2018-06-19.
  3. ^ Iglesias, J .; Eriksson, J .; Grize, F .; Tomassini, M .; Вилла, А. (2005). «Динамика отсечения в моделируемых крупномасштабных спайковых нейронных сетях». Биосистемы. 79 (9): 11–20. Дои:10.1016 / j.biosystems.2004.09.016. PMID 15649585.
  4. ^ Азеведо, Фредерико А.К .; Карвалью, Людмила Р.Б .; Гринберг, Леа Т .; Фарфель, Хосе Марсело; Ferretti, Renata E.L .; Лейте, Рената Э.П .; Филхо, Уилсон Джейкоб; Великий пост, Роберто; Геркулано-Хузель, Сюзана (2009). «Равное количество нейрональных и ненейрональных клеток делает человеческий мозг изометрически увеличенным мозгом приматов». Журнал сравнительной неврологии. 513 (5): 532–41. Дои:10.1002 / cne.21974. PMID 19226510.
  5. ^ а б 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. Дои:10.1016 / j.tics.2006.01.007. ISSN 1364-6613. PMID 16460992.
  6. ^ а б c d е Vanderhaeghen, P .; Ченг, HJ. (2010). "Направляющие молекулы в сокращении аксонов и гибели клеток". Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 2 (6): 1–18. Дои:10.1101 / cshperspect.a001859. ЧВК 2869516. PMID 20516131.
  7. ^ а б c Чечик, Гал; Мейлиджисон, Исаак; Руппин, Эйтан (1999). «Нейрональная регуляция: механизм синаптического отсечения во время созревания мозга». Нейронные вычисления. 11 (8): 2061–80. CiteSeerX 10.1.1.33.5048. Дои:10.1162/089976699300016089. PMID 10578044.
  8. ^ а б 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. Дои: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 Дехаене (2014). «Сознание и мозг: расшифровка того, как мозг кодирует наши мысли»
  12. ^ П. Майкл Конн (2011 г.) «Справочник по моделям старения человека»
  13. ^ Низкий, LK .; Ченг, HJ. (2006). «Обрезка аксонов: важный шаг, лежащий в основе пластичности нейронных связей в процессе развития». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 361 (1473): 1531–1544. Дои:10.1098 / rstb.2006.1883. ЧВК 1664669. PMID 16939973.
  14. ^ Багри, Анил; Ченг, Хвай-Чжон; Ярон, Авраам; Удовольствие, Сэмюэл Дж .; Тесье-Лавин, Марк (2003). «Стереотипное сокращение длинных ветвей аксонов гиппокампа, вызванное индукторами ретракции семейства семафоринов». Клетка. 113 (3): 285–299. Дои: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. Дои:10.1016 / j.neuron.2007.10.014. PMID 17964246.
  16. ^ Xu, N .; Хенкемейер, М. (2009). «Обратная передача сигналов эфрина-B3 через Grb4 и цитоскелетные регуляторы опосредует отсечение аксонов». Природа Неврологии. 12 (3): 268–276. Дои:10.1038 / №2254. ЧВК 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. Дои:10.1016 / j.neuron.2004.10.026. PMID 15541313.