Тормозные клетки-канделябры улучшают когнитивные функции

Ученые из лаборатории Колд Спринг Харбор установили нестандартный вид связи клеток-канделябров с нейронами и их решающую роль в передаче мозговых сигналов. До недавнего времени клетки-канделябры оставались загадкой, потому что количество их настолько мало, что их исследование вызывало изрядные трудности. Однако вклад этих клеток в работу мозга и нашу жизнь неоценим, ведь их дисфункция приводит к таким серьезным заболеваниям, как аутизм, эпилепсия и шизофрения. Работа опубликована в журнале Trends in Neuroscience.

Благодаря развитию новых технологий и инструментов американским ученым удалось пролить свет на происхождение клеток-канделябров (КК), их строение и свойства. Что же из себя представляют эти клетки? Свое название КК получили из-за внешнего сходства с канделябром: клетки обладают четким, сильно разветвленным аксональным деревом, которое заканчивается параллельными массивами коротких вертикальных наборов пресинаптических образований, называемых «картриджами» — аксональные терминали, окутывающие начальные сегменты пирамидальных аксонов, напоминают свечи.

Молекулярные механизмы, управляющие картриджами (показаны розовыми шариками на аксонах КК). Формирование и иннервация клеткой-канделябром (ChC) аксонального холмика (AIS) одного из соседних пирамидальных нейронов (PyN). Обозначения: ErbB4 — рецептор эпидермального фактора роста; L1CAM – трансмембранный белок; AnkG – белок; DOCK7 – возбудитель цитокинеза; FGF13 — фактор роста фибробластов 13. Credit: Trends in Neuroscience 2020.

Клетки-канделябры (КК) – это уникальный тип ГАМКергических (тормозных) интернейронов коры головного мозга, образующих характерные продолговатые аксо-аксональные соединения исключительно с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток. Подробнее узнать о строении и видах нервных клеток можно здесь.

В некоторых случаях ГАМКергическое воздействие этих канделябровидных клеток может быть и возбуждающим. Дело в том, что в коре больших полушарий существует огромное количество связей между разными видами нейронов, образующее запутанные сети, что позволяет оперативно обрабатывать и передавать информацию. При одновременной активации большого количества пирамидальных и других (возбуждающих) нейронов возникает так называемый «шум». Он замедляет проведение информации от органов чувств и другие мыслительные процессы. Канделябровидные клетки, богатые белком парвальбумином, наоборот обладают ингибирующим действием и замедляют передачу импульсов. Это способствует снижению «шума», вследствие чего сигнал «концентрируется», а когнитивные функции существенно улучшаются.

На микропрепарате синим показаны места соединений аксонов клетки-канделябра (красная) с основаниями аксонов соседних пирамидальными клеток (зеленые). Масштаб: 20 мкм. Credit: CSHL.

Один из первооткрывателей структуры ДНК – Френсис Крик, переквалифицировавшийся в нейробиолога во второй половине своей карьеры, выдвигал клетки-канделябры на роль интеграторов, которые управляют «простыми» нейронами коры и при необходимости «накладывают вето» на распространение между ними возбуждения.

В последние годы значительно продвинулись исследования в области биологии КК. Особенно в отношении их происхождения и миграции, дифференциации, созревания и механизмов синаптического нацеливания. В статье подробно описан каждый из этих процессов. Главный вывод таков: клетки-канделябры имеют решающее значение для регуляции функции связи в центральной нервной системе. В отличие от других нейронов, КК соединяются непосредственно с той частью нейрона, в которой «рождается» потенциал действия, а что самое удивительное – одна клетка способна иннервировать сотни соседних пирамидных нейронов. Причем каждый аксональный холмик пирамидального нейрона обычно связан с тремя-четырьмя картриджами трех-четырех клеток-канделябров.

Развитие КК идет по уникальной программе, которая отличается от других типов интернейронов, а изменения их генеза, расположения и морфологии влекут нарушения  баланса возбуждения и торможения. Особенно влияет изменение количества картриджей, которые в ходе своего развития могут «обрезаться» в качестве средства устранения избыточных ветвей аксонов и несинаптических аксонных терминалей.

Этот дисбаланс возбуждения и торможения в модельных животных оказывается связан с такими тяжелыми неврологическими состояниями, как повышение двигательной активности,  нарушение коммуникабельности, дисфункция рабочей памяти,  и нарушение синхронности колебаний гамма-диапазона между лобной долей и гиппокампом. Ко всему прочему, существует связь между дисфункцией КК и нейроонтогенетическими расстройствами (такими, как РАС), неврологическими (эпилепсия) и нервно-психическими (шизофрения,  в мышиных моделях это проявляется нарушением предимпульсного ингибирования и поведения, направленного на строительство гнезда — nest-building behavoir).

Несмотря на существенный прогресс в области исследования клеток-канделябров остается много вопросов: каковы основные функции КК в неокортексе и гиппокампе? Меняется ли их функция в процессе развития и взросления? Различны ли КК в поверхностных и более глубоких слоях коры функционально? Существуют ли морфологические подтипы КК? Существуют ли другие неврологические заболевания, связанные с КК? И можно ли влиять на активность и функции КК с терапевтической целью?

Знания, полученные в результате таких исследований, могут помочь выявить ключевые факторы, лежащие в основе нервно-психических недугов, тем самым вселяя надежды на новые профилактические и терапевтические стратегии.

Текст: Дарья Горская

SheddingLighton Chandelier Cell Development, Connectivity, and Contribution to Neural Disorders by Nicholas B. Gallo, Anirban Paul, Linda Van Aelsti n Trends in Neurosciencе. Published June 2020

doi:10.1016/j.tins.2020.05.003

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram