Calyx of Held

Strukturen hos en typisk neuron
Myelinskidan
	Dendrit Soma Axon Kärna Ranviers nod ; Axon terminal Schwann cell Myelinskidan

Bägare av Held mikrostruktur

The Calyx of Held är en särskilt stor synaps i däggdjurs auditiva centrala nervsystemet , så uppkallad efter Hans Held som först beskrev den i sin artikel från 1893 Die centrale Gehörleitung på grund av dess likhet med blommans blomkål . Globulära buskiga celler i den anteroventrala cochleakärnan (AVCN) skickar axoner till den kontralaterala mediala kärnan i trapetskroppen (MNTB), där de synapsar via dessa kalycer på MNTB-huvudceller. Dessa huvudceller projicerar sedan till den ipsilaterala laterala superior oliven (LSO) , där de hämmar postsynaptiska neuroner och ger en grund för interaural nivådetektion (ILD), som krävs för högfrekvent ljudlokalisering. Denna synaps har beskrivits som den största i hjärnan.

Den relaterade ändbulben av Held är också en stor axonterminal mindre synaps (15-30 μm i diameter) som finns i andra hörselstrukturer i hjärnstammen, nämligen cochleakärnan. Liksom med kalycerna främjar dessa synapser snabb och effektiv informationsöverföring.

Kalyken av Held håller vesiklar som innehåller glutamat på den presynaptiska terminalen, vesiklarna frigörs vid stimulering (med ursprung i hörselsystemet). Glutamatet binder sedan till två kända glutamatreceptorer, AMPA- och NMDA-receptorer .

Vanligtvis används i forskning på grund av sin stora storlek, kalyksen av Held har använts för att förstå en mängd olika mekanismer relaterade till utveckling av och vesikelfrisättning av synapsen.

Fungera

Kalyxen av Held är en del av det auditiva systemet , som förbinder de klotformiga buskiga cellerna (GBCs) i den anteroventrala cochleakärnan med de huvudsakliga neuronerna i den mediala kärnan i trapetskroppen (MNTB). Som en synaps är funktionen hos Helds blomkål att överföra signalen från GBC till huvudneuronerna. De huvudsakliga neuronerna i MNTB är glycergiska, vilket hyperpolariserar de superior olivary komplex (SOC) kärnorna i närliggande celler och producerar tonotopiska hämmande effekter. Som ett resultat av dess roll i att stimulera de huvudsakliga neuronerna, är den primära funktionen hos Helds calyx att tillåta differentiering mellan temporal aktivering av cochlea-hårcellerna som är viktiga för ljudlokalisering (interaural nivådetektering ) .

Detektering av interaural nivå är möjlig genom blodkroppssystemet på grund av den stora relativa storleken på GBC:erna, Heldens kalyx och de viktigaste neuronerna. Neuronerna i Lateral Superior Olive är särskilt viktiga för att urskilja dessa interaurala nivåförändringar. Den stora diametern hos de buskiga cellaxonerna tillåter den hämmande signalen som produceras av MNTB-neuronerna att nå SOC ungefär 0,2 ms efter den initiala cochlea -excitationen. Denna tidsmätning på ~0,2 millisekunder är viktig för att jämföra den kontralaterala (motsatta sidan) och ipsilaterala (samma sida) stimuleringen som krävs vid ljudlokalisering i horisontalplanet, och är nyckeln för att särskilja platsen för lågfrekventa ljud.

Strukturera

En astrocytisk cell från råtthjärna odlad i vävnadskultur och färgad med antikroppar mot GFAP (röd) och vimentin (grön). Båda proteinerna finns i stora mängder i de mellanliggande filamenten i denna cell, så cellen ser gul ut. Det blå materialet visar DNA visualiserat med DAPI- färgning och avslöjar kärnorna i astrocyten och andra celler.

För varje huvudneuron finns det en blomkål, och för de flesta GBC-axoner finns det bara en enda blomkål, även om det finns undantag från denna parning. Detta skapar i allmänhet ett en-till-ett-förhållande mellan GBC, heldens kalycer och de viktigaste neuronerna. Bärket av Held omfattar huvudneuronen med en distinkt morfologi: förgrening av blomkålen tillåter skapandet av andra och tredje ordningens nätverk. Varje gren upprättar en förbindelse med huvudneuronen och etablerar ett stort antal aktiva zoner. Detta är ovanligt för synaptiska terminaler i hjärnan, eftersom de flesta skapar en enda aktiv zon. Varje blomkål innehåller allt från 300 till 700 aktiva zoner, och i var och en av de aktiva zonerna finns det cirka 100 glutamatinnehållande vesiklar med cirka 3 dockade vesiklar åt gången. Dessa vesiklar är stora, i överensstämmelse med fynden angående kvantal storlek i andra vuxna synapser. Täta vesiklar, vanligtvis innehållande neuropeptider , finns också, men ytterligare forskning behövs för att fastställa deras innehåll och funktion.

För att bibehålla synapsens struktur, som med andra synapser, finns det många mikrotubuli . Blomkålen har ett stort antal mikrotubuli vid basen av terminalen. Dessa mikrotubuli utför en mängd olika funktioner, såsom att ge stabilitet till synapsen, begränsa fördelningen av de synaptiska vesiklarna och lokalisera mitokondrierna . Mitokondrier har tre viktiga funktioner vid den synaptiska terminalen: att låta synapsen tillgodose metabola behov (särskilt för att ta bort kalcium efter depolarisering ), buffra kalciumet genom att tillåta upptag av kalcium i mitokondrierna och tillhandahålla energi för glutamatsyntes.

Olika gliaceller är också associerade med Helds blomkål. Två typer av gliaceller omger blomkålen: astrocyter och NG ₂ gliaceller . Astrocyterna uttrycker glutamattransportörer för att avlägsna glutamat från synapsen. Detta är den enda kända mekanismen för att avlägsna glutamat från synapsen. NG ₂ gliacellerna uttrycker AMPA-receptorer.

Utveckling

Allmän utveckling

Vid postnatal dag två (P2), bildas den omogna råttbeger från Held, lätt att särskilja genom sin karakteristiska förseglade sked- morfologi . De primära synaptiska kontakterna som bildar blomkålen är sammansatta mellan neuroner i MNTB (mediala kärnan i trapetskroppen) och VCN (ventral cochleanerv), som slutligen förbinds med varandra genom att projicera över mittlinjen av de två områdena. Dessa associationer börjar dyka upp omedelbart efter att VCN-neuroner har genererats; man kan observera den tidigaste bildandet av dessa kontakter runt embryonal dag 17 (E17). Dessa neuronala förbindelser, som utgör ett viktigt område av snäckan, bildar grenar med varandra som slutar i Helds blomkål. Under loppet av de kommande två till tre veckorna utvecklas de neuronala kontakterna som först bildade den embryonala blomkålen i form och funktion, vilket kulminerar i en mogen blomkål som underlättar den konsekventa, snabba spridningen av signaler i MNTB-VCN-området.

Ett fåtal utvalda processer inträffar under tidig neuronal utveckling för att säkerställa korrekt bildning av blomkål, specifikt genom påverkan av Fibroblastic Growth Factor (FGF), transkriptionsfaktor Math5, neural celligenkänningsmolekyl NB-2 och efrin (Eph)-proteiner i celler. Math1/Math5 och FGF är två regulatorer som är väsentliga för lämplig tillväxt och utveckling av cochlear nucleus komplexet, som omfattar både den ventrala cochlea nucleus (VCN) och den dorsala cochlea nucleus (DCN). Tillräckliga FGF-nivåer säkerställer korrekt morfologi hos cochleakärnorna, medan Math5 säkerställer korrekt storlek och bearbetning av cochleakärnan. Math1, en annan transkriptionsfaktor, är nödvändig för uppkomsten av VCN-neuroner i den cochlea extramurala strömmen såväl som neuronerna i det överlägsna olivarykomplexet . NB-2 hjälper också till att utveckla bildningen av Helds calyx, samt bidrar till upprätthållandet av den kontralaterala MNTB. De kombinerade effekterna av dessa tre molekyler med varandra illustrerar det faktum att det finns många familjer av proteiner involverade i korrekt signalering och bildning av blomkålen.

Dessutom är Eph-proteiner integrerade för vidare utveckling av hörselkretssystemet efter initial embryonal blomkålsbildning. En egenskap som skiljer Eph-proteiner och deras receptorer från andra signalsystem är deras förmåga att överföra information dubbelriktat. Framåt- och bakåtsignalering i VCN- och MNTB-celler är avgörande för rätt antal och bildning av VCN- och ipsilaterala MNTB-projektioner i blomkålen. Eph-proteiner säkerställer också att medan axoner passerar genom den ipsilaterala MNTB, sker förgrening och slutlig avslutning av dessa projektioner endast i den kontralaterala MNTB, möjligen för att proteinerna endast är riktade mot specifika regioner på axonerna.

Sammantaget finns det två ultrastrukturella förändringar som inträffar i Helds blomkål. Den första är att under den andra utvecklingsveckan myelineringen av VCN-axonerna i MNTB. Denna framträdande tillväxt i myelin motsvarar den kronologiska utvecklingen av signalkretsen och anpassningen av blomkålen. Den andra ultrastrukturella förändringen involverar de huvudsakliga neuronerna i MNTB, vars cellkroppar och kärnor ökar i ytarea på grund av förstoring. Detta är ett direkt resultat av att individuella, större postsynaptiska densiteter bryts upp i mindre, multipla densiteter.

Utveckling av kaliumkanaler

Kaliumkanal - 2r9r opm

Kaliumkanaler är avgörande för att utföra den presynaptiska aktionspotentialen . Blomkålen innehåller flera typer av kaliumkanaler, som var och en skiljer sig i läge och känslighet. Både lågtröskel K ⁺ -kanaler och högtröskelfördröjda K ⁺ -kanaler av likriktartyp finns i presynaptiska neuroner. Det finns fyra lågtröskel K ⁺ -kanaler: K _v 1.1, K _v 1.2, K _v 1.3 och K _v 7.5. K _v 1.1 och K _v 1.2 är belägna i övergångszonen mellan axon och terminal, medan K _v 1.3 K _v 7.5 är belägna i blomfoten. Det finns en kalciumaktiverad kaliumkanal som uttrycks i blomkålen, men denna typ av kanal bidrar inte till frisättning av neurotransmittorer.

Inom loppet av en vecka visade mössindivider (P7 till P14) att densiteten hos K _v 1 och K _v 3 lågtröskelkanalerna ökar, vilket i sin tur påverkar kanalernas kinetik .

Natriumkanalutveckling

Förändringar i natriumkanaler under mognad möjliggör ökad presynaptisk aktionspotentialhastighet. Här blir aktionspotentialerna snabbare på grund av natriumkanalernas förmåga att återhämta sig snabbare efter ledningen . Bevis visar att uttrycket i alfa-subenheten av Na _V 1.6 , en specifik typ av natriumkanal, är ansvarig för den ökade hastigheten i överföringen. Na _V 1.2 , en annan natriumkanal som uttrycks i axonerna och noderna, är känd för att uppvisa långsammare kinetik.

För att kompensera för myeliniseringen (ökad kapacitans ), som leder upp till blomkålen vid den sista noden (området mellan myelinskidan) innan axonterminalen innehåller en hög täthet av Na ⁺ -kanaler för att tillåta ett stort inflöde (inåt). flöde) av natrium för att trigga de spänningsstyrda kalciumkanalerna att öppna i den presynaptiska terminalen, vilket orsakar ett kalciuminflöde.

Kalciumkanalutveckling

I omogna calyces av Held kommer kalcium (Ca ²⁺ ) joner in i MNTB-neuroner genom N- , P/Q- och R-typ Ca ²⁺ -kanaler , men i mogna calyces sker Ca ²⁺ -inflöde främst genom P/Q- typ kanaler. Ca2 ^{+ -receptorer} av N- och R-typ är mindre benägna att utlösa vesikelfrisättning, eftersom dessa receptortyper är längre bort från frisättningsställen. Därför ökar kalciumjoner som kommer in i kanalerna av N- och R-typ kalciumjonkoncentrationen i områden som är mindre viktiga för funktionen av blomkålen.

Blockering av Ca2 ⁺ -kanalerna kan ske genom användning av G-proteinkopplade receptorer , aktiverade av följande neurotransmittorer:

Förändringar sker i jonkanalerna för att uppmuntra snabbare överföring:

Na ⁺ och K ⁺ kanaler ändras för att tillåta pre- och postsynaptiska aktionspotentialer att vara snabbare
K _v 3-kanaler aktiveras också mycket snabbare.
Storleken på de presynaptiska Ca ²⁺ strömmarna ökar.
Gatingmekaniken för glutamatreceptorerna blir snabbare

Noradrenalin

Serotonin

GABA

Glutaminsyra

Adenosin

Ligand-gated kanalutveckling

Bortsett från glutamatreceptorn, har endast ett fåtal andra ligand-styrda kanaler hittats i de omogna kalyserna av Held: den jonotropa _GABAA och glycinreceptorn . Dessa receptorer tillåter klorid (Cl ⁻ ) att flöda över membranet, och på grund av den höga kloridkoncentrationen i terminalen depolariseras dessa receptorer.

Fenestration

Mellan den andra och den tredje postnatala veckan, runt tidpunkten för hörseldebut, utvecklar kalyksen i Held sitt karakteristiska, mycket fenestrerade (många öppningar) utseende. Fenestration resulterar i att membranet reduceras till många små fack, vilket ökar förhållandet mellan yta och volym av Helds blomfot. När membranet blir alltmer klämt in i dessa bulbliknande strukturer, grupperas synaptiska vesiklar ytterligare i dessa utrymmen, vilket resulterar i ett ökat antal dockade vesiklar.

För att kompensera för tillgängliga utrymmen i blomkålen används gliaceller med glutamatreceptorer och transporter för att fylla öppna utrymmen, vilket säkerställer ett effektivt upptag av glutamat i synapsen.

Mekanism

(A) Presynaptisk neuron. (B) Postsynaptisk neuron. (1) Mitokondrier. (2) Synaptisk vesikel full av neurotransmittor. (3) Autoreceptor. (4) Synaptisk klyfta. (5) Neurotransmittorreceptor. (6) Kalciumkanal. (7) Fuserad vesikel som frisätter neurotransmittor. (8) Neurotransmitteråterupptagspump

Som en synaps följer Helds blomkål en mekanism som liknar andra synapser. En utförlig beskrivning finns under neurotransmission .

Kalciuminflöde

Kalciuminflöde för den omogna blomkålen i Held medieras av kalciumkanaler av N- , P / Q- och R-typ ; Men vid mognad blir endast kalciumkanaler av P/Q-typ dominerande. Vid kalciuminflöde är den omogna blomkålen i Held mycket reaktiv på grund av sin lilla kalciumbuffertförmåga – detta orsakar frisättning av glutamat även vid låga nivåer av kalciuminflöde. Inom terminalen, som med andra synapser, binder två kalciumjoner till synaptotagmin för att trigga vesikelfrisättning – för kalykerna i Held frisätts glutamat i vesiklarna. Förutom vesikelfrisättning, signalerar kalciumjoner för blomkålsterminalen att återgå till det inaktiva tillståndet. Vid kalciuminflöde fosforyleras ett cAMP-svar elementbindande protein (CREB) , vilket förändrar kaliumkoncentrationerna i cellen för att återställa terminalen till ett inaktivt tillstånd. Avlägsnande av kalcium görs genom olika metoder inklusive: att tas bort från terminalen, tas upp i mitokondrier eller bindas till kalciumbindande proteiner som parvalbumin och kalretinin .

Presynaptisk hämning

Retrograd signalering är nödvändig i kalyxen i Held för att reglera kalciumnivåerna i den presynaptiska terminalen. Aktiveringen av metabotropa glutamatreceptorer (mGluRs) aktiverar en sekundär budbärare av G-protein som interagerar med kalciumkanalerna av P/Q-typ för att minska konduktansen. Dessutom ökas vesikelpoolens storlek och sannolikheten för frisättning minskar. Andra metoder för presynaptisk hämning inkluderar noradrenalin, serotonin och adenosin - dessa metoder ses endast i omogna kalycer av Held.

Postsynaptiska glutamatreceptorer

AMPA-receptorn bunden till en glutamatantagonist som visar aminoterminalen, ligandbindningen och transmembrandomänen, PDB 3KG2

Glutamatreceptorer finns på den postsynaptiska terminalen - de två typerna inkluderar jonotropa AMPA- och NMDA-receptorer . Som en excitatorisk signalsubstans orsakar glutamat nästan alltid att en aktionspotential utlöses på den postsynaptiska sidan – ytterligare uppmuntrad av lågt internt natrium hos de viktigaste neuronerna. I den mogna blomkålen är AMPA-receptorerna koncentrerade på huvudneuronen för att lokalisera överföringen för större sannolikhet för aktionspotential. Notera också att bidragen från NMDA-typ glutamatreceptorer minskar efter hörselstart.

Presynaptisk vesikelendocytos

Mekanismen bakom synaptisk vesikelendocytos förändras när blomkålen blir mer mogen. Calmodulin och calcineurin i deras aktiva form krävs för vesikelendocytos i en omogen blomkål; dock är varken kalmodulin eller kalcineurin nödvändiga i den mogna blomkålen. Snarare förmedlas processen av energin som skapas av hydrolys av GTP. För att ladda glutamatet i vesiklar vid terminalen används två proteiner: vesikulär glutamattransportör 1 (VGLUT1) och VGLUT2.

Svar

De höga tröskelkaliumkanalerna i det postsynaptiska membranet tillåter snabb repolarisering av målneuronen. De lågtröskelkaliumkanalerna i den postsynaptiska neuronen minskar nervcellens excitabilitet för att begränsa dess aktivering till endast de största synaptiska ingångarna.

Forskningens betydelse

Helds blomkål har blivit ett populärt modellsystem inom området neurobiologi. Närvaron av denna synaps i däggdjursnervsystemet har möjliggjort direkt forskning inom en däggdjursmodell och den stora storleken ökar lättheten för elektrofysiologisk inspelning. Av dessa skäl har det varit populärt för att förstå sändarsläpp.

Närmare bestämt används heldens calyx på grund av:

det enkla med presynaptiska patch-clamp -inspelningar.
förmågan att övervaka sändarens frisättning samtidigt som man mäter pre- och postsynaptiska effekter.
enkelheten att avbilda och mäta kapacitans.
användningen av virus för att observera kalyksen av Held som ett exogent uttryckssystem.
möjligheten att göra in vivo-experiment.