Международная группа исследователей во главе с Университетской больницей Бонна (UKB), Университетом Бонна и DZNE обнаружила в дендритах нейронов крошечные сужения шириной всего несколько сотен нанометров — в 500–1000 раз тоньше человеческого волоса. Ранее дендриты считались гладкими кабелями, проводящими сигналы к телу клетки. Новые структуры, названные сужением дендритного вала, встречаются у разных типов нейронов в мозге мыши и человека; результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Небольшие древовидные проекции, известные как дендриты, функционируют как приемные антенны нейронов. Они улавливают электрические сигналы от других нервных клеток и передают эту информацию в тело клетки, причем дендритные шипы служат контактными точками для других нейронов. Таким образом, дендриты обеспечивают связь в нервной системе. Поскольку они могут изменять свою форму и количество своих ветвей для хранения новой информации, они также играют центральную роль в так называемой нейронной пластичности и, следовательно, в процессах обучения и памяти.
Структура дендритов тесно связана с их функцией. Дендритные шипы с их луковичными головками, соединенными с дендритом тонкой шеей, являются типичными примерами этого. С диаметрами от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, шеи шипов образуют отсеки, которые необходимы для функциональности и пластичности. Напротив, дендритные валы традиционно интерпретируются как гладкие непрерывные кабели.
Что обнаружили в дендритах нейронов?
«В то время как дендритные шипы давно известны из-за их распространенности, сужения в диаметре вала, которые мы обнаружили, ранее не были задокументированы. Другим фактором было то, что диаметр этих сужений колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, что ниже предела разрешения обычной световой микроскопии, — говорит первый автор доктор Тони Келли, постдок в исследовательской группе профессора Хайнца Бека в Институте экспериментальной эпилептологии и когнитивных исследований UKB и Университета Бонна. Даже в наборах данных электронной микроскопии с высоким разрешением такие вариации локального диаметра до сих пор могли рассматриваться как случайные неровности, а не биологически значимые структуры.
В сотрудничестве с многочисленными экспертами в области микроскопии с высоким разрешением, в том числе профессором доктором Ульрихом Кубичеком из Института физической и теоретической химии Клаузиуса в Боннском университете и профессором доктором Валентином Негерлом из Института анатомии и клеточной биологии в Университете Геттингена, исследовательская группа смогла использовать несколько методов для выявления локализованных сужений в диаметре дендритного вала, которые они называют сужением дендритного вала (DSC). Используя комбинацию методов визуализации с высоким разрешением, включая микроскопию расширения, микроскопию STED (стимулируемое истощение выбросов), микроскопию сканирующего зонда и последовательную электронную микроскопию, они демонстрируют, что дендриты в нейронах мыши и человека проявляют локализованные сужения диаметра в наномасштабном диапазоне вдоль их валов. Компьютерное моделирование и эксперименты показывают, что эти сужения могут разделить дендриты на небольшие электрические отсеки. Сигналы, поступающие после сужения, могут стать сильнее локально, в то время как они менее эффективно передаются в организм клетки. Это также способствует активации NMDA-рецепторов, которые важны для изменения синаптической силы и процессов обучения.
«Поэтому наши результаты показывают ранее непризнанную структурную особенность, которая может позволить отдельным дендритам обрабатывать информацию локально, а не просто передавать ее», — говорит последний автор профессор Бек, который является членом кластера иммуносенсации Excellence 3 и трансдисциплинарной области исследований (TRA) «Жизнь и здоровье» в Боннском университете. «Сужение дендритических валов может представлять собой новый фундаментальный элемент в том, как нейроны выполняют сложные вычисления, хотя их точная биологическая роль и то, как они формируются, еще предстоит определить».
Вопросы и ответы
Как учёные смогли разглядеть такие крошечные сужения в дендритах?
Исследователи применили несколько методов визуализации высокого разрешения: микроскопию расширения, STED-микроскопию, сканирующую зондовую микроскопию и последовательную электронную микроскопию. Это позволило обнаружить сужения диаметром от десятков до сотен нанометров, которые не видны в обычный световой микроскоп.
Что дают эти сужения для работы нейрона?
Сужения разделяют дендрит на небольшие электрические отсеки. Сигналы после сужения могут локально усиливаться, но хуже доходят до тела клетки. Это также способствует активации NMDA-рецепторов, важных для изменения синаптической силы и процессов обучения.
У каких животных нашли эти структуры и где опубликованы результаты?
Сужения дендритного вала обнаружены у разных типов нейронов в мозге мыши и человека. Исследование провела международная группа во главе с Университетской больницей Бонна, Университетом Бонна и DZNE, а результаты опубликованы в журнале Science Advances.
