Dio 1: Povezivanje neurobiologije razvojne ozljede mozga: Neuronska arborizacija kao regulator disfunkcije i potencijalne terapijske mete

ali.ma@wecistanche.com

Kliknite zaCistancheherba protiv Alchajmerove bolesti

Molimo kliknite ovdje do 2. dijela

Ane Goikolea-Vives i Helen B. Stolp *

Odsjek za komparativne biomedicinske nauke, Royal Veterinary College, London NW{0}}TU, UK; agoikoleavive18@rvc.ac.uk

* Dopisivanje: hstolp@rvc.ac.uk

Sažetak: Neurorazvojni poremećaji mogu proizaći iz složene kombinacije genetskih varijacija i pritisaka okoline na ključne razvojne procese. Uprkos ovoj složenoj etiologiji, i jednako složenom nizu sindroma i stanja dijagnostikovanih pod naslovom neurorazvojni poremećaj, postoje paralele u neuropatologiji ovih stanja koje sugerišu preklapanje mehanizama ćelijske povrede i disfunkcije.Neuronalarborizacija je proces proširenja dendrita i aksona koji je neophodan za povezanost između neurona koji su u osnovi normalne funkcije mozga. Poremećena arborizacija i formiranje sinapsi se obično javljaju kod neurorazvojnih poremećaja. Ovdje sumiramo dokaze o poremećenom neuronskom arborističkom provjeravanju za Citiranje: Goikolea-Vives, A.; Stolp, HB Povezivanje neurobiologije razvojne ozljede mozga:NeuronalArborizacija kao regulator disfunkcije i potencijalne terapijske mete. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 8220. https://doi.org/ 10.3390/ijms22158220

Akademski urednik:

Giuseppe Lazzarino

Primljeno: 2. jula 2021

Prihvaćeno: 28. jula 2021

Objavljeno: 30. jula 2021

Napomena izdavača: MDPI ostaje neutralan u pogledu zahtjeva za nadležnost u objavljenim mapama i institucionalnim vezama.

Autorska prava: © 2021 od autora. Imalac licence MDPI, Basel, Švicarska. Ovaj članak je članak otvorenog pristupa koji se distribuira pod uslovima i

uslovima Creative Commons-a

Licenca za atribuciju (CC BY) (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/).

u ovim uslovima, fokusirajući se prvenstveno na korteks i hipokampus. Osim toga, istražujemo razvojno specifične mehanizme pomoću kojihneuronskiarborizacija je regulisana. Na kraju, raspravljamo o ključnim regulatorimaneuronskiarborizacija koja bi mogla biti povezana s neurorazvojnom bolešću i potencijalom za farmakološku modifikaciju arborizacije i formiranje sinaptičkih veza koje mogu pružiti terapeutsku korist u budućnosti.

Ključne riječi: dendritska arborizacija; dendritična kičma; formiranje sinapse; neurorazvojni poremećaj; perinatalne ozljede mozga

1. Uvod

Dendritski lukovi, zajedno sa dendritskim bodljama u bodljastim neuronima, su fundamentalni u regulaciji informacija koje neuron prima i načina na koji se te informacije obrađuju i na njih djeluju. Kao rezultat toga, promjene u dendritskoj arborizaciji, ili formiranje dendritskih bodlji, imaju dramatičan učinak na funkciju mozga. Ovo je dokazano velikim brojem istraživanja koja povezuju promjene u dendritima i dendritskim bodljama s ozbiljnošću kognitivnih i bihevioralnih simptoma neurorazvojnih, neuropsihijatrijskih i neurodegenerativnih poremećaja.

Formiranje dendrita je relativno kasni i produženi razvojni događaj, nakon dužeg perioda proliferacije, koji slijedi široko stereotipni obrazac za sve neurone. Pokreće ga kombinacija intrinzičnih genetski reguliranih procesa, posebno važnih tokom ranih faza ekstenzije neurita, na koje tada dinamički utječe mnoštvo vanjskih znakova, uključujući regulaciju zavisnu od aktivnosti [1–3]. Za identifikaciju potencijalnih terapija za ispravljanje poremećene arborizacije i povezanosti kod neurorazvojnih poremećaja, potrebno je razumjeti posljedice genetskih i okolišnih događaja na dendritsku arborizaciju, ovisnost o vremenu ovih poremećaja i sposobnost strukturalne ili funkcionalne kompenzacije. kao deo normalnog razvoja. Iako je postignut napredak u našem razumijevanju mnogih od ovih područja, još uvijek nedostaje pregled i integracija informacija potrebnih za postizanje potrebnog napretka u terapijskom otkriću. Da bismo olakšali ovaj napredak, razmotrit ćemo veze između neurorazvojnih poremećaja i poremećenog razvoja dendrita, s obzirom na potencijalne posljedice poremećaja na funkcionisanje neuronskih mreža. Istražit će se mehanizmi koji leže u osnovi promjena dendritske i sinaptičke gustoće kod neurorazvojnih poremećaja, s posebnim naglaskom na one mehanizme koji obećavaju terapijsku intervenciju.

2. Poremećena neuronska arborizacija kod neurorazvojnih poremećaja

Neuronalmorfologija je glavna odrednicaneuronskipovezanost i normalna funkcija mozga [4,5]. Obrazac dendritičkog grananja, kao i gustoća dendrita i kičme, veličina i morfologija, određuju efikasnost prenosa, integracije i obrade sinaptičkog ulaza [5,6]. Mnoge neurorazvojne patologije pokazuju dendritske abnormalnosti i abnormalnosti kralježnice, sažete na slici 1 [7–10]. Na primjer, post-mortem studije mozga autističnih pacijenata prijavile su smanjenu složenost dendritičnog grananja u CA1 i CA4 regijama hipokampusa [11], smanjenje broja dendrita u dorsolateralnom prefrontalnom korteksu [12] i povećanu gustoću kralježnice u kortikalnim piramidalnim neurona [13]. Dendritske abnormalnosti su osnovna karakteristika sindroma kao što su Downov sindrom, Rettov sindrom, fragilni X sindrom i fenilketonurija; pacijenti su pokazali smanjen broj i dužinu dendritskih arborova, kao i abnormalnu morfologiju i broj dendritskih bodlji u moždanoj kori (pregledano u [14]). Poremećaji kao što su epilepsija i traumatske ozljede mozga (TBI), u koje je uključena ekscitotoksičnost, također su povezani s aberantnom dendritičnom strukturom i distribucijom kralježnice [15]. Postmortem izvještaji pacijenata s epilepsijom pokazali su smanjenu složenost dendritičnog grananja, manji broj grana, kao i smanjenu gustinu kičme i dendritski otok u kortikalnim piramidalnim neuronima sloja III [16]. Kod ovih pacijenata u hipokampusu su uočeni dendritični varikoziteti i gubitak dendritičnih bodlji [17]. Perinatalna hipoksična/ishemična ozljeda mozga može rezultirati dugotrajnim neurološkim defektima ili smrću novorođenčeta (pregledano u [18]). Studije na životinjama su pokazale da hipoksično-ishemijski događaji dovode do gubitka dendritskih bodlji, pojave dendritskih varikoziteta, smanjene dužine dendrita i dendritičnog grananja u kortikalnim piramidalnim neuronima pacova [19,20] i kortikalnim i subkortikalnim neuronima ovaca [21-24] .

Slika 1. Šematski dijagram koji sumira promjene povezane s bolešću u dendritskoj arborizaciji i formiranju kičme. Neurotipični neuron razrađuje složeno grananje i duge i brojne dendrite. Takođe razvija relativno stabilne i zrele bodlje. Pojedinci sa ASD često pokazuju smanjenu složenost dendritičnog grananja i povećano prisustvo nezrelih/trnovitih bodlji i povećanu gustinu kičme. Utvrđeno je da neuroni pacijenata sa krhkim X i Rettovim sindromom pokazuju kraće i manje obilne dendrite i abnormalno duge i tanke bodlje povećane gustine. Kod pacijenata sa epilepsijom, uočeno je da neuroni formiraju kraće i manje razgranate arbore koji često pokazuju varikozitet i iskrivljene bodlje, a gustina kičme je takođe smanjena. Neuroni šizofrenih pojedinaca pokazuju smanjenu veličinu kralježnice i abnormalne vratove kralježnice, manje some i smanjen broj dendrita. Kod ispitanika sa hipoksijom/ishemijom ili TBI, neuroni su razradili manje i kraće dendrite, sa varikozitetima i konstrikcijama, i pokazali smanjenu gustinu kičme i prisustvo abnormalnih bodlji. Smanjena dužina i grananje dendrita, kao i gubitak kičme, uočeni su kod neurona pacijenata sa AD i PD. AD—Alchajmerova bolest, ASD—poremećaj iz spektra autizma, PD—Parkinsonova bolest, TBI—traumatska povreda mozga.

3. Neuronska arborizacija i formiranje sinapse kao dio formiranja kortikalnog kruga

Najraniji kortikalni krugovi kod ljudi formiraju se u prelatu do 5. nedelje gestacije [25–28]. Neuroni unutar prelata stvaraju primitivne i privremene sinaptičke veze sa susjednim stanicama koje djeluju kao privremene mete sve dok migrirajući neuroni ne stignu kako bi formirali stabilnije veze. Ovi neuroni pre ploče su ujedno i prvi neuroni koji se projektuju izvan moždane kore. Kako se kortikalne lamine razvijaju, neuroni stvaraju veze na kratke i velike udaljenosti kako bi stvorili lokalne i globalno povezane neuronske mreže. Razvojni procesi nakon migracije i diferencijacije u početku rezultiraju pretjeranimneuronskiarborizacija i sinaptička povezanost. Oni zahtijevaju usavršavanje, prvo spontanom aktivnošću, a kasnije aktivnošću ovisnom o vanjskim stimulansima, kako bi se formirala i uspostavila zrela neuronska kola [29]. Spontanoneuronskiaktivnost je neophodna za inicijalni razvoj povezanosti, a do cerebralnog korteksa stiže talamokortikalnim putem, čak i prije nego što je završena radijalna migracija kortikalnih neurona [30]. Seminalne studije provedene u vizualnom sistemu prenatalnih mačaka pokazale su da blokada spontanog aktiviranja akcionih potencijala prije otvaranja oka poremeti normalno terminalno grananje aksona ganglijskih stanica retine [31] i neurona talamokortikalnog puta, što je dovelo do aberantnog formiranja očne dominacije. kolone u primarnom vidnom korteksu [32]. U somatosenzornom korteksu miša u razvoju, prije nego što se primi bilo koji senzorni stimulans, odsustvo spontane aktivnosti koja potiče iz talamusa dovodi do kortikalnih hiperekscitabilnih kola i aberantnog razvoja funkcionalnih stubnih struktura [33].

Kako mozak sazrijeva i počinje primati senzorne podatke, broj, tip i snaga sinapsi variraju kao rezultatneuronskiaktivnost. Ova neuronska aktivnost ne samo da omogućava dodavanje jedinstvenih informacija u neuronske obrasce, već i promoviše prefinjenost kola i neophodna je u razvoju zrelih kola. Nakon rođenja, dendritska morfogeneza je posebno osjetljiva na inpute zavisne od aktivnosti i ključno je odreditineuronskidendritska struktura i vrsta veza koje treba uspostaviti [34]. Osim toga, dendritske grane se mogu preoblikovati kao odgovor na oštećenja uzrokovana ozljedom ili bolešću. Sposobnost preoblikovanja i prilagođavanja promjenama naziva se plastičnost, a pokazalo se da je prisutna tijekom odraslog života [35,36].

Tokom prvih 18 mjeseci života, stopa dendritske morfogeneze i sinaptogeneze se povećava, a razvojni procesi kao što su remodeliranje sinapse ovisno o iskustvu i orezivanje pristupaju kritičnom periodu u kojem se netačno vrijeme i stopa predlaže da dovedu do razvoja nekoliko neurorazvojnih poremećaji [26,37,38]. Dendritičko i sinaptičko orezivanje je vođeno međudjelovanjem neurona, mikroglije i astrocita [39]. Rezidba se odvija u dvije faze: neposredno nakon rođenja – rano djetinjstvo – kako bi se osiguralo ispravno formiranje senzornih krugova; i tokom tranzicije iz djetinjstva, adolescencije i odraslog doba do remodeliranja krugova uključenih u više kognitivne funkcije uključujući samoregulaciju [39,40]. Abnormalno orezivanje dovodi do aberantne dendritske arborizacije i sinaptičke funkcije.

Zanimljivo je da su sazrevanje dendrita i ekspresija simptoma ponašanja kod nekih neurorazvojnih poremećaja vremenski povezani [41]. Na primjer, početak poremećaja iz spektra autizma (ASD) poklapa se s dendritskim rastom i arborizacijom koji se javlja u ranom djetinjstvu [42], te ispoljavanjem simptoma poremećaja pažnje i hiperaktivnosti (ADHD) u srednjem i kasnom djetinjstvu i šizofrenije tokom kasne adolescencije s dendritičko i sinaptičko orezivanje [40,41]. Patologija ASD-a je povezana sa poremećenom ekscitatorno/inhibitornom ravnotežom i abnormalnom vezom asocijacijskih područja višeg reda [43]. Budući da je ASD često praćen povećanom veličinom mozga tokom prve 3 godine života, pretpostavljeno je da bi to moglo biti uzrokovano dendritskim rastom ili nedostatkom rezidbe i održavanja normalnog broja ćelija [42]. ADHD i Touretteov sindrom pojavljuju se kasno u djetinjstvu i karakteriziraju ih nedostatak povezanosti u neuronskim krugovima povezanim sa samoregulacijom i inhibicijskim kapacitetom. Takođe se pokazalo da pacijenti sa ADHD-om dostižu maksimalnu debljinu korteksa kasnije od svojih neurotipičnih kolega [44]. Tipičan početak šizofrenije javlja se u adolescenciji ili mlađoj odrasloj dobi. Kod šizofrenih pacijenata, tokom puberteta, stanjivanje korteksa se dešava bržim tempom i proteže se na susedne regione u poređenju sa kontrolnom populacijom odgovarajućeg uzrasta [45]. Pretpostavlja se da je razlog prekomjernog stanjivanja ili zbog smanjenog dendritskog grananja i smanjenog broja ćelija, ili češće zbog pretjeranog sinaptičkog orezivanja ili nepravilnog sinaptičkog remodeliranja [46,47]. Iz ovih informacija možemo zaključiti da neuspjeh u održavanju ispravnog sazrijevanja dendrita dovodi do abnormalnostineuronskiuspostavljanje funkcije i kola, što u konačnici rezultira razvojem atipičnih simptoma ponašanja povezanih s neurorazvojnim poremećajima. U ovom kontekstu, važno je sada razmotriti specifično vrijeme događaja sazrijevanja dendrita i signalne mehanizme koji ih podupiru.

4. Vremenski okvir razvoja i regulacija neuronske arborizacije i formiranja sinapse

Morfologiju zrelih neurona karakterizira mnoštvo visoko razgranatih procesa koji se protežu od tijela ćelije. Ovi neuriti se u početku šire na sličan način, prije specijalizacije, u aksone i dendrite, pri čemu je formiranje kralježnice dio kasne dendritske specijalizacije u bodljastim neuronima [2,3,8]. Faze dendritske arborizacije mogu se sažeti kao (i) rast (karakteriziran početnom sporom fazom i kasnijim brzim izduženjem), nakon čega slijedi (ii) dinamičko proširenje i povlačenje, što dovodi do konačnog perioda (iii) stabilizacije dendrita (slika 2. ) [2]. Pored ovihneuronskiZavisne od procesa, postoji produženi period rezidbe koji posebno zavisi od uticaja okoline (pregledano u [1]). Stoga, postoji stereotipni element dendritske arborizacije, iako postoje varijacije u vremenu događaja između pojedinačnih tipova ćelija, regiona mozga i vrsta.

Slika 2. Šematski dijagram koji sumira uporedni vremenski okvir u kojem se događaju ključni događaji u dendritskoj arborizaciji. Dendritno grananje počinje formiranjem primarne grane, odmah nakon toganeuronskimigracija do svog konačnog položaja. Zatim se javljaju procesi grananja do formiranja sekundarnih i tercijarnih grana, kao i izduženje grana. U tom periodu dolazi do početne formacije dendritskih bodlji, a potom i sinapsi. Reorganizacija i stabilizacija dendritskih grana, bodlji i sinapsi javljaju se relativno kasno u razvojnim procesima. Uporedni vremenski okvir ovih događaja prikazan je za miša, ovcu, neljudski primat i ljudski mozak. E—embrionalni dan, GW—gestacijski tjedan, P—postnatalni dan.

4.1. Progresija i vrijeme razvoja dendrita

Podaci prikupljeni od brojnih vrsta pokazuju opći obrazac dendritske ekspanzije tokom ranih godina života, gdje produžavanje dendritskih grana i povećanje složenosti grana koreliraju sa sinaptičkim formiranjem. Ovaj proces se stabilizuje prije perioda reorganizacije i sinaptičke rezidbe tokom rane adolescencije kako se uspostavljaju obrasci arborizacije i sinaptičke povezanosti odraslih (vidi sliku2). Tipični obrasci ranog grananja, vizualizirani Golgijevim bojenjem, pokazuju jedan apikalni primarni dendrit zajedno sa 3-9 bazalnih dendrita [48]. Oni se protežu nakon završetka migracije, pri čemu se smatra da vodeći migratorni rub prelazi iz primarnog apikalnog neurita u ovoj tački. Čini se da je prebacivanje s migracije na dendritičko proširenje, barem kod miša, olakšano uklanjanjem inhibicije Sox11 u ranom postnatalnom korteksu [49]. Akson se općenito specijalizirao od bazalnog neurita, dok ostatak doprinosi dendritskom stablu. U ljudskom mozgu prijavljeno je prvo dendritično grananje između 16-26 nedelja gestacije, koje se povećava do 36 nedelja [50,51], a uspostavljena, iako rudimentarna, dendritična struktura je prisutna u terminu, s kortikalnim neuronima 30-55 posto njihove maksimalne dužine [52]. Slično utvrđena arborizacija opisana je u terminu za neljudske primate [53]. U kortikalnim neuronima čini se da bazalni dendriti uspostavljaju svoju složenost ranije od apikalnih dendrita, bez novih redova grana koji se identifikuju u bazalnim dendritima nakon termina [52]. U mozgu miša, ovi koraci se uglavnom dešavaju u prvoj postnatalnoj sedmici, sa grananjem koje je uglavnom ekvivalentno ljudskom terminu, oko postnatalnog dana (P)7-10 (vidi uporedne podatke u [49,54–56] kao primjer). Kod ovaca, još jedne uobičajene životinje za modeliranje razvojne ozljede mozga, dendritska arborizacija unutar korteksa počinje oko {{0}}.7–0,85 gestacije (vidi podatke u [21,23,24]).

Analiza neurona sloja V u ljudskom prefrontalnom korteksu sugerira da postoji brza faza dendritske ekspanzije i grananja koja se nastavlja do 5. godine života [57]. Nakon toga slijedi dug period lokalne dinamičke reorganizacije dendritskih grana. Većina podataka u vezi sa ovim periodom dinamičke reorganizacije dolazi iz studija glodavaca ili kultura ćelija koje istražuju molekularne mehanizme koji regulišu ove faze dendritske arborizacije (o kojima se govori u nastavku). Značajan dio rada na zebricama također postoji, koristeći kapacitet za genetski poboljšane time-lapse slike kako bi se otkrili specifični razvojni događaji. Dok se ovaj pregled prvenstveno fokusira na nalaze iz mozga sisara, podaci o zebricama su važan dodatak ovom polju i pregledani su u [58]. Podaci iz mišjeg mozga jasno pokazuju formiranje primarnih grana od strane P10, uz kontinuiranu razradu sekundarnih i tercijalnih grana do približno P40 [50]. Varijacije u dendritskoj arborizaciji između kortikalnih regija mogu se otkriti u neonatalnom ljudskom mozgu, pri čemu se čini da se prvi razvija primarni motorni korteks (na osnovu identifikacije dužih dendrita i većeg broja dendritskih bodlji) [59]. Čini se da se sinaptička gustina u vidnim i slušnim regijama razvija relativno rano [60]. U obje mjere, čini se da prefrontalni korteks zaostaje u svom sazrijevanju, s manje složenim dendritskim granama [52] i smanjen broj sinapsi u ranom životu [60]. Podaci iz mozga čimpanze pokazuju sličan obrazac sazrijevanja: neuroni u prefrontalnom korteksu i dalje su manje razrađeni sve do adolescentne rezidbe, iako na kraju pokazuju složeniju obrascu grananja nego neuroni u drugim kortikalnim regijama [53].

Dokazi o spolnim razlikama u arborizaciji dendrita počinju rasti, iz mješavine in vivo i in vitro studija. Ove studije pokazuju jasno povećanu složenost unutar dendritskih lukova hipokampalnih neurona kod mužjaka miševa na P28, u poređenju sa njihovim ženkama [61]. Ovaj rezultat je repliciran u primarnojneuronsko-glijalnikulture iz P0 hipokampalnog tkiva u istom soju miša i činilo se da su barem djelomično zavisne od estrogena [61]. Ove razlike u formiranju dendritskih arborova između mužjaka i ženki mogu pomoći da se objasne dobro poznate spolne razlike u prezentaciji i dijagnozi neurorazvojnih poremećaja. Dok je studija Keil et al. (2017) povezuju ove polne razlike sa aktivacijom receptora estrogena [61], studija Beyera i Karolczaha (2000.) o primarnom dopaminergičkom dopaminergičkom srednjem mozgu miševaneuronskikulture sugerira da estrogen također može stimulirati rast neurona neovisno o

estrogenski receptor, umjesto da ovisi o cAMP- i PKA-izvedenoj fosforilaciji CREB-a [62]. Osim toga, postoje neki dokazi iz studija na miševima koji ukazuju na to da spolne razlike u razvoju mikroglija (urođene i nakon upale) mogu doprinijeti uočenim razlikama uneuronskiarborizacija i broj sinapse [63].

4.2. Dendritske bodlje i sinaptički razvoj

Dendritične bodlje su mikroskopske membranske izbočine koje se sastoje od receptivnog postsinaptičkog odjeljka sinapsi u mozgu [15]. Bodlje sadrže neurotransmitere, neuropeptide, receptore, signalne molekule, jonske kanale i druge proteine ​​koji učestvuju u sinaptičkom prijenosu. Novonastalim dendritima nedostaju sinapse i bodlje. Tokom spinogeneze, tanke dinamičke izbočine nalik na prste nazvane filopodije izlaze iz dendritske sjenice. Ove filopodije mogu formirati nezrele sinapse u kontaktu sa aksonima; sinapse se mogu pojaviti duž cijele dužine filopodija i u njegovoj bazi i mogu primiti više sinapsi [64]. Kako spinogeneza napreduje, dužina i učestalost filopodije se smanjuju, a dendriti počinju proizvoditi tanke, zdepaste i zrele bodlje u obliku gljive iz uvučenih filopodija [65].

Formiranje dendritske kralježnice na bodljastim neuronima prati dendritičko grananje nakon prirodnog kašnjenja, s nezrelim bodljama koje se mogu otkriti na neuronima u ljudskom hipokampusu do 36. tjedna gestacije, u vrijeme kada je prisutno više dendritičnih grana [50]. Formiranje kralježnice će se vjerovatno dogoditi čak i ranije u korteksu, jer se sinapse mogu otkriti već u dobi od 27 sedmica nakon začeća, u rasponu od 3-10 sinapsa/100 um u zavisnosti od kortikalne regije [60]. Sinaptička gustina raste do maksimuma (~60 sinapsi/100 um) u dobi od oko 4 godine, a zatim opada tokom adolescencije na gustinu odrasle osobe od približno 35 sinapsi/100 um [60]. U korteksu miša, bodlje su jasno prisutne u nezrelim stanjima prije P10 i vidljivo zrele do P20 [54]. Sinapse se mogu detektirati od P5, brzo rastući do velikog stabilnog broja između P10-17 [66]. Obrasci formiranja sinapsi variraju u cijelom mozgu, počevši ranije u unutrašnjim slojevima korteksa (V, VI) u poređenju sa vanjskim (II, III), prateći razvoj korteksa iznutra prema van [60].