Sprzężenie efaptyczne

Sprzężenie efaptyczne jest formą komunikacji w układzie nerwowym i różni się od systemów komunikacji bezpośredniej, takich jak synapsy elektryczne i synapsy chemiczne . Może odnosić się do sprzężenia sąsiednich (stykających się) włókien nerwowych spowodowanego wymianą jonów między komórkami lub może odnosić się do sprzężenia włókien nerwowych w wyniku lokalnych pól elektrycznych. W obu przypadkach sprzężenie efaptyczne może wpływać na synchronizację i czas potencjału czynnościowego w neuronach. Uważa się, że mielinizacja hamuje interakcje efaptyczne.

Historia i etymologia

Pomysł, że aktywność elektryczna generowana przez tkankę nerwową może wpływać na aktywność otaczającej tkanki nerwowej, pochodzi z końca XIX wieku. Wczesne eksperymenty, takie jak te przeprowadzone przez du Bois-Reymonda, wykazały, że pobudzenie nerwu pierwotnego może wywołać pobudzenie sąsiedniego nerwu wtórnego (określanego jako „pobudzenie wtórne”). Efekt ten nie został jednak zbadany ilościowo aż do eksperymentów przeprowadzonych przez Katza i Schmitta w 1940 r., Kiedy obaj zbadali oddziaływanie elektryczne dwóch sąsiednich nerwów kończyn kraba Carcinus maenas . Ich praca wykazała, że progresja potencjału czynnościowego w aktywnym aksonie powodowała zmiany pobudliwości w nieaktywnym aksonie. Zmiany te przypisywano lokalnym prądom , które tworzą potencjał czynnościowy. Na przykład prądy, które spowodowały depolaryzację (pobudzenie) aktywnego nerwu, spowodowały odpowiednią hiperpolaryzację (depresję) sąsiedniego spoczynkowego włókna. Podobnie prądy powodujące repolaryzację nerwu aktywnego powodowały niewielką depolaryzację włókna spoczynkowego. Katz i Schmitt zaobserwowali również, że stymulacja obu nerwów może powodować efekty interferencyjne. Jednoczesne wyzwalanie potencjału czynnościowego powodowało zakłócenia i skutkowało zmniejszeniem prędkości przewodzenia , podczas gdy nieznacznie przesunięta stymulacja skutkowała synchronizacją dwóch impulsów.

W 1941 roku Angélique Arvanitaki zbadała ten sam temat i zaproponowała użycie terminu „ephapse” (od greckiego efapsis i oznaczającego „dotykać”) w celu opisania tego zjawiska i odróżnienia go od transmisji synaptycznej. Z biegiem czasu termin sprzężenie efaptyczne zaczął być używany nie tylko w przypadkach interakcji elektrycznych między sąsiednimi elementami, ale także bardziej ogólnie do opisania efektów wywołanych przez wszelkie zmiany pola wzdłuż błony komórkowej.

Mechanizm i efekty

Rola w pobudzaniu i hamowaniu

Wczesne prace przeprowadzone przez Katza i Schmitta wykazały, że sprzężenie efaptyczne między dwoma sąsiednimi nerwami było niewystarczające do stymulacji potencjału czynnościowego w nerwie spoczynkowym. W idealnych warunkach obserwowana maksymalna depolaryzacja wynosiła około 20% bodźca progowego . Jednak warunkami można manipulować w taki sposób, aby potencjał czynnościowy z jednego neuronu mógł zostać rozłożony na sąsiedni neuron. Osiągnięto to w jednym badaniu w dwóch warunkach eksperymentalnych: zwiększone stężenie wapnia, które obniżyło potencjał progowy, lub zanurzenie aksonów w oleju mineralnym, co zwiększyło opór. Chociaż te manipulacje nie odzwierciedlają normalnych warunków, podkreślają mechanizmy stojące za wzbudzeniem efaptycznym.

Stwierdzono również, że sprzężenie efaptyczne odgrywa ważną rolę w hamowaniu sąsiednich neuronów. W zależności od lokalizacji i tożsamości neuronów stwierdzono, że u podstaw hamowania efaptycznego leżą różne mechanizmy. W jednym badaniu nowo wzbudzone sąsiednie neurony interferowały z już podtrzymywanymi prądami, obniżając w ten sposób potencjał zewnątrzkomórkowy i depolaryzując neuron w stosunku do otaczającego środowiska, skutecznie hamując propagację potencjału czynnościowego.

Rola w synchronizacji i synchronizacji

Trójwymiarowa (3D) organizacja ludzkiej kory nowej.

Badania sprzężenia efaptycznego skupiły się również na jego roli w synchronizacji i synchronizacji potencjałów czynnościowych w neuronach. W prostszym przypadku sąsiednich włókien, które doświadczają jednoczesnej stymulacji, impuls jest spowolniony, ponieważ oba włókna są ograniczone do wymiany jonów wyłącznie z płynem śródmiąższowym (zwiększenie oporu nerwu). Nieznacznie przesunięte impulsy (prędkości przewodzenia różnią się o mniej niż 10%) są w stanie konstruktywnie wymieniać jony, a potencjały czynnościowe rozchodzą się nieco poza fazą przy tej samej prędkości.

Jednak nowsze badania skupiły się na bardziej ogólnym przypadku pól elektrycznych, które wpływają na różne neurony. Zaobserwowano, że lokalne potencjały pola w neuronach korowych mogą służyć do synchronizacji aktywności neuronów. Chociaż mechanizm jest nieznany, postawiono hipotezę, że neurony są efaptycznie sprzężone z częstotliwościami lokalnego potencjału pola. To sprzężenie może skutecznie synchronizować neurony w okresy zwiększonej pobudliwości (lub depresji) i pozwalać na określone wzorce synchronizacji potencjału czynnościowego (często określane jako synchronizacja skoków). Efekt ten został wykazany i modelowany w różnych przypadkach.

Hipotezą lub wyjaśnieniem tego mechanizmu jest efekt „jednokierunkowy”, „master-slave” lub „jednokierunkowa synchronizacja” jako matematyczna i podstawowa właściwość nieliniowych układów dynamicznych (oscylatorów, takich jak neurony) do synchronizacji według określonych kryteriów. Takie zjawisko zostało zaproponowane i przewidywane jako możliwe między dwoma neuronami HR od 2010 roku w symulacjach i modelowaniu przez Hrg. Wykazano również, że taka jednokierunkowa synchronizacja lub kopiowanie/wklejanie dynamiki neuronowej z neuronów nadrzędnych do neuronów podrzędnych może przejawiać się na różne sposoby. Zjawisko to ma więc nie tylko fundamentalne znaczenie, ale także zastosowanie od leczenia padaczki do nowych systemów uczenia się. Synchronizacja neuronów jest w zasadzie niepożądanym zachowaniem, ponieważ mózg miałby zero informacji lub byłby po prostu żarówką, gdyby wszystkie neurony się zsynchronizowały. Stąd hipoteza, że neurobiologia i ewolucja mózgu poradziły sobie ze sposobami zapobiegania takim synchronicznym zachowaniom na dużą skalę, wykorzystując je raczej w innych szczególnych przypadkach.

Schematyczne przedstawienie rozkładu pola bioelektromagnetycznego w korze nowej i korze mózgowej.

Schematyczne przedstawienie neuronów (N) i astrocytów (A) w warstwie 2–3 kory nowej człowieka.

Ponieważ modele funkcji mózgu wykorzystujące tylko połączenia neuronowe i połączenia szczelinowe nie wyjaśniają jego złożoności, sprzężenie efaptyczne jest dodawane do równania, aby spróbować wyjaśnić izopotencjalność astrocytów korowych w celu utrzymania przesłuchu bioelektromagnetycznego między neuronami a astrocytami w korze nowej.

Przykłady

Tkanka sercowa

Różne geometrie i siatki elementów skończonych dla dysków interkalowanych mięśniowo.

Układ przewodzenia elektrycznego serca został solidnie ugruntowany. Jednak nowsze badania kwestionują niektóre z wcześniej zaakceptowanych modeli. Rola sprzężenia efaptycznego w komórkach serca staje się coraz bardziej widoczna. Jeden z autorów posunął się nawet do stwierdzenia: „Choć wcześniej postrzegano jako możliwą alternatywę dla sprzężenia elektrotonicznego, sprzężenie efaptyczne zaczęło być postrzegane jako działające w tandemie ze złączami szczelinowymi, pomagając podtrzymać przewodzenie, gdy sprzężenie połączeń szczelinowych jest zagrożone”. Interakcje efaptyczne między komórkami serca pomagają wypełnić luki, których same synapsy elektryczne nie są w stanie wyjaśnić. Istnieje również wiele modeli matematycznych, które ostatnio uwzględniają sprzężenie efaptyczne w przewidywaniach dotyczących przewodnictwa elektrycznego w sercu. Prace eksperymentalne sugerują, że nanodomeny bogate w kanały sodowe zlokalizowane w miejscach bliskiego kontaktu między miocytami serca mogą stanowić funkcjonalne jednostki sprzężenia efaptycznego, a selektywne rozerwanie tych nanodomen spowodowało spowolnienie przewodzenia arytmogennego, co sugeruje ważną rolę sprzężenia efaptycznego w sercu. Potencjalne połączenia efaptyczne są obecnie rozważane w terapii serca.

Padaczka i drgawki

Napady padaczkowe występują, gdy w mózgu występuje synchronizacja fal elektrycznych. Znając rolę, jaką odgrywa sprzężenie efaptyczne w utrzymaniu synchronizacji sygnałów elektrycznych, sensowne jest poszukiwanie mechanizmów efaptycznych w tego typu patologii. Jedno z badań sugerowało, że komórki korowe stanowią idealne miejsce do obserwacji sprzężenia efaptycznego ze względu na ciasne upakowanie aksonów, co pozwala na interakcje między ich polami elektrycznymi. Zbadali skutki zmiany przestrzeni pozakomórkowej (która wpływa na lokalne pola elektryczne) i odkryli, że można zablokować synchronizację epileptyczną niezależnie od chemicznej manipulacji synapsami, po prostu zwiększając przestrzeń między komórkami. Później stworzono model do przewidywania tego zjawiska i pokazano scenariusze z większymi odstępami pozakomórkowymi, które skutecznie blokowały synchronizację padaczkową w mózgu.

Układ węchowy w mózgu

Neurony w układzie węchowym są niemielinizowane i gęsto upakowane, dlatego łatwiej dostrzec często niewielkie efekty sprzężenia efaptycznego. Szereg badań wykazało, w jaki sposób hamowanie neuronów w układzie węchowym działa w celu precyzyjnego dostrojenia integracji sygnałów w odpowiedzi na zapach. Wykazano, że to hamowanie występuje tylko w wyniku zmian potencjałów elektrycznych. Dodanie sprzężenia efaptycznego do modeli neuronów węchowych stanowi dalsze wsparcie dla modelu „lini dedykowanej”, w którym każdy receptor węchowy wysyła swój sygnał do jednego neuronu. Hamowanie spowodowane sprzężeniem efaptycznym pomogłoby wyjaśnić integrację sygnałów, która powoduje bardziej zniuansowaną percepcję zapachów.

Synapsy

Synapsy zwykle powstają, gdy dwa neurony znajdują się bardzo blisko siebie. Sprzężenie efaptyczne może zatem powstać w poprzek szczeliny synaptycznej . Wybitnymi przykładami są rybia komórka Mauthnera , zwój rzęskowy kurcząt , synapsa koszyka móżdżku ssaków i rozwijający się kielich synapsy Held u ssaków .

Modele matematyczne

Ze względu na bardzo małe pola elektryczne wytwarzane przez neurony, modele matematyczne są często wykorzystywane do testowania szeregu manipulacji. Teoria kabli jest jednym z najważniejszych równań matematycznych w neuronauce. Oblicza prąd elektryczny przy użyciu pojemności i rezystancji jako zmiennych i był główną podstawą wielu przewidywań dotyczących sprzężenia efaptycznego w neuronach. Jednak wielu autorów pracowało nad stworzeniem bardziej wyrafinowanych modeli, aby dokładniej reprezentować środowiska układu nerwowego. Na przykład wielu autorów zaproponowało modele tkanki serca, które obejmują dodatkowe zmienne, które odpowiadają za unikalną strukturę i geometrię komórek serca o różnej skali wielkości lub trójwymiarową elektrodyfuzję.

Modele zwierzęce

Gigantyczne aksony kałamarnic

W 1978 r. przeprowadzono podstawowe testy na aksonach olbrzymich kałamarnic w celu znalezienia dowodów na zdarzenia efaptyczne. Wykazano, że potencjał czynnościowy jednego aksonu może być przekazywany do sąsiedniego aksonu. Poziom transmisji był różny, od zmian podprogowych do inicjacji potencjału czynnościowego w sąsiedniej komórce, ale we wszystkich przypadkach było oczywiste, że istnieją implikacje sprzężenia efaptycznego, które mają znaczenie fizjologiczne.

Rdzeń kręgowy i rdzeń kręgowy szczura

W jednym badaniu przetestowano efekty sprzężenia efaptycznego, stosując zarówno antagonistów neuroprzekaźników do blokowania synaps chemicznych, jak i blokerów połączeń szczelinowych do blokowania synaps elektrycznych. Stwierdzono, że rytmiczne wyładowania elektryczne związane z neuronami płodu w rdzeniu kręgowym i rdzeniu szczura były nadal podtrzymywane. Sugeruje to, że połączenia między neuronami nadal istnieją i działają w celu rozprzestrzeniania sygnałów nawet bez tradycyjnych synaps. Odkrycia te wspierają model, w którym sprzężenie efaptyczne działa obok synaps kanonicznych w celu propagacji sygnałów w sieciach neuronowych.

Komórki Purkinjego szczura móżdżku

Jeden z nielicznych znanych przypadków układu funkcjonalnego, w którym sprzężenie efaptyczne jest odpowiedzialne za obserwowalne zdarzenie fizjologiczne, występuje w komórkach Purkinjego móżdżku szczura. W tym badaniu wykazano, że komórki koszykowe , które otaczają niektóre regiony włókien Purkinjego, mogą powodować działanie hamujące na komórki Purkinjego. Odpalanie tych komórek koszykowych, które zachodzi szybciej niż w komórkach Purkinjego, powoduje przepływ prądu przez komórkę Purkinjego i generuje pasywny potencjał hiperpolaryzujący, który hamuje aktywność komórki Purkinjego. Chociaż dokładna funkcjonalna rola tego hamowania jest nadal niejasna, może on mieć efekt synchronizacji w komórkach Purkinjego, ponieważ efekt efaptyczny ogranicza czas odpalania.

Podobny efekt efaptyczny badano w komórkach Mauthnera teleostów .

Sceptycyzm

Chociaż idea niesynaptycznych interakcji między neuronami istnieje od XIX wieku, historycznie w dziedzinie neuronauki było wiele sceptycyzmu. Wiele osób uważało, że mikropola elektryczne wytwarzane przez same neurony są tak małe, że można je pominąć. Podczas gdy wielu zwolenników teorii sprzężenia efaptycznego próbowało udowodnić jego istnienie poprzez eksperymenty blokujące zarówno synapsy chemiczne, jak i elektryczne, nadal niektórzy przeciwnicy w tej dziedzinie wyrażają ostrożność. Na przykład w 2014 roku jeden naukowiec opublikował recenzję, w której przedstawił swój sceptycyzm co do idei sprzężenia efaptycznego, mówiąc: „Zgodność między ich symulacjami a danymi Poelzinga jest imponująca, ale będę potrzebował bardziej definitywnego potwierdzenia eksperymentalnego, zanim będę mógł przyjąć efaptyczne hipoteza." Swoją ostrożność opiera na pragnieniu większego rozróżnienia między propagacją ładunku przez złącza szczelinowe a prawdziwym sprzężeniem efaptycznym. Niezależnie od tego, czy jest to prawdziwy brak dowodów, czy po prostu upór w obliczu zmian, wielu w tej dziedzinie wciąż nie jest całkowicie przekonanych, że istnieją jednoznaczne dowody na sprzężenie efaptyczne.

Badania trwają, aw 2018 roku opublikowano coś, co wydaje się ostatecznym eksperymentem. Proces powolnego rozchodzenia się fal w mózgu z prędkością około 0,1 m na sekundę został pokazany in vivo . Rejestrowano również powolną propagację fal, umieszczając dwie elektrody w dwóch końcach fragmentu mózgu myszy pobranego od świeżo zabitej myszy. Tkanka została następnie przecięta między dwiema pozycjami elektrod, odcinając wszelkie możliwe połączenia neuronami lub połączenia szczelinowe między dwiema elektrodami. Powolna fala nadal się rozprzestrzeniała i można ją było zatrzymać jedynie poprzez oddzielenie dwóch kawałków tkanki szczeliną 400 mikronów. Zakładając powtarzalność tego eksperymentu, sceptycy sprzężeń efaptycznych powinni być usatysfakcjonowani, że jest to zjawisko rzeczywiste i badania skupią się teraz na jego mechanizmach i roli, a nie na jego istnieniu.

Zobacz też