Synaptogenese er processen med synapsedannelse mellem neuroner i nervesystemet . Synaptogenese forekommer gennem hele livet af en sund person, og den hurtige dannelse af synapser observeres i de tidlige stadier af hjernens udvikling [1] . Synaptogenese er især vigtig i den kritiske periode af individuel udvikling (i udviklingsbiologi, den periode, hvor nervesystemet er særligt følsomt over for eksogene stimuli), når der er en intens strøm af synaptisk beskæring på grund af neuronernes konkurrence og deres synapser om neuronale vækstfaktorer.. Synapser, der ikke deltager eller deltager svagt i informationsbehandling, såvel som ubrugte eller underudnyttede processer af neuroner, vil ikke modtage ordentlig udvikling og vil blive elimineret i fremtiden [2] .
Den neuromuskulære junction (NJC) er den mest velundersøgte af alle typer synapser, det er en enkel og tilgængelig struktur til manipulation og observation. Denne synapse i sig selv består af tre celler: en motorneuron , en myocyt og en Schwann-celle (neurolemmocyt). I en normalt fungerende synapse forårsager et signal fra en motorneuron depolarisering af myocytmembranen, som sker via neurotransmitteren acetylcholin . Acetylcholin frigives af det motoriske neuron axon til den synaptiske kløft, hvor det når kolinerge receptorer på sarcolemma , myocytmembranen. Binding af acetylcholin til receptorer fører til åbning af ionkanaler , depolarisering af membranen og den efterfølgende kaskade af kemiske reaktioner, hvilket resulterer i muskelsammentrækning. Udenfor er synapsen indkapslet og isoleret af myelinskeden fra Schwann-cellen [3] . Et andet vigtigt element i det centrale og perifere nervesystem er astrocytter . Selvom man oprindeligt troede, at deres funktion kun var strukturel, er det nu kendt, at de spiller en vigtig rolle i synapsernes funktionelle plasticitet [4] .
Under udviklingen opstår hver af de tre ovennævnte celletyper fra forskellige regioner af det udviklende embryo . Individuelle myoblaster udvikler sig fra mesodermen og smelter sammen for at danne en polyenergisk (multinukleær) muskelfiber. Under eller kort efter fiberdannelse begynder neuralrørsmotorneuroner at danne deres første kontakter med det. Schwann-celler opstår fra den neurale kam og rejser sammen med axonerne til deres destination. Når de når muskelfiberen, danner de en løs, umyeliniseret dækning af axonerne, der innerverer musklerne. Bevægelsen af axoner (og dermed Schwann-celler) styres af vækstkeglen, en filamentøs projektion af axonen, der aktivt retter sig mod neurotrofiner frigivet af muskelfiberen.
Undersøgelsen af mønstrene for dannelse og distribution af neuromuskulære synapser viser, at en betydelig del af forbindelserne er lokaliseret i muskelfiberens midtpunkt. Selvom det kan se ud til, at axoner oprindeligt målretter mod dette sted, tyder flere faktorer på noget andet. Efter den første kontakt med axonet fortsætter den unge fiber tilsyneladende med at vokse symmetrisk fra innervationspunktet. Kombineret med det faktum, at den høje tæthed af cholinerge receptorer er resultatet af kontakt med axonet, og ikke dets årsag, kan mønstre for muskelfiberdannelse være forbundet med både individuel myopatisk vækst og axonal innervation af fiberen.
Signaltransduktion langs den primære kontakt mellem motorneuronen og muskelfiberen begynder næsten øjeblikkeligt, men den transmitterede impuls er meget svag. Der er bevis for, at Schwann-celler ved hjælp af små signalmolekyler kan forstærke impulser ved at øge intensiteten af spontan frigivelse af neurotransmittere [5] . Efter cirka en uge gennemgår motorneuronen og muskelfiberen en differentieringsproces, som fuldender dannelsen af en fuldt funktionel synapse. Innerveringen af det oprindelige axon er kritisk, fordi axonerne efter det har en høj tilbøjelighed til at danne kontakter med en allerede etableret, stabiliseret synapse.
Den mest bemærkelsesværdige ændring i muskelfiberen, der opstår efter kontakt med et motorneuron, er en øget koncentration af cholinerge receptorer på plasmamembranen ved kontaktpunktet mellem neuron og myocyt. Denne stigning i antallet af receptorer giver mulighed for mere effektiv transmission af synaptiske signaler, hvilket igen fører til dannelsen af en mere udviklet synapse. Receptordensiteten er >10.000/µm 2 i midten og ca. 10/µm 2 i periferien. En sådan høj koncentration af cholinerge receptorer i synapsen opnås gennem deres clustering, opregulering af ekspressionen af de tilsvarende gener i kernerne af postsynaptiske celler og nedregulering af ekspressionen af disse gener i kernerne i præsynaptiske celler. Signaler, der initierer post-synaptisk differentiering, kan være neurotransmittere, der frigives direkte fra axonet til muskelfiberen, eller de kan forekomme eksternt og kommer ind i den synaptiske kløft udefra [6] .
ClusteringKlynger på den postsynaptiske membran opstår hovedsageligt på grund af proteoglycanen Agrin, som udskilles af motorneuron-axonen og fremmer receptor-multimerisering. Agrin binder sig til den receptor muskelspecifikke kinase (MuSK) på den postsynaptiske membran, og det fører igen til den efterfølgende aktivering af det cytoplasmatiske protein Rapsyn. Det er rapsin, der indeholder domæner, der tillader det at klynge mange cholinerge receptorer på membranen: muskelceller fra mus mutant for dette protein var ikke i stand til at danne klynger af cholinerge receptorer.
Synapse-specifik transkriptionEn øget koncentration af cholinerge receptorer opnås ikke kun gennem manipulation af allerede eksisterende synaptiske komponenter. Axonet er ved hjælp af signalering i stand til at regulere genekspression i muskelcellens kerne på transkriptionsniveauet . Alt dette sker også for at øge intensiteten af lokal klyngedannelse af receptorer på membranen. Især er to molekyler involveret i signalering: et protein af calcitonin -familien (Calcitoningen-relateret peptid) og et medlem af neuregulin- familien af proteiner (så opkaldt efter deres rolle i reguleringen af neuronale molekylære processer). Disse to proteiner forårsager en kaskade af kemiske reaktioner, der involverer forskellige kinaser , hvilket i sidste ende fører til aktivering af transskription af cholinerge receptorgener [7] .
Ekstrasynaptisk undertrykkelseDe nydannede synapser er i stand til at generere elektriske signaler, der påvirker de omgivende ekstrasynaptiske celler på en sådan måde, at de reducerer ekspressionen af cholinerge receptorgener markant. Nøjagtigheden af den impuls, som axonet sender til den postsynaptiske membran, opnås netop ved samtidig at reducere koncentrationen af receptorer uden for synapsen og øge deres antal inde i den. Da synapsen begynder at modtage input næsten umiddelbart efter dannelsen af den neuromuskulære forbindelse, genererer axonet hurtigt et aktionspotentiale og frigiver acetylcholin. Depolarisering forårsaget af binding af acetylcholin til dets receptorer initierer muskelsammentrækning og samtidig hæmning af transskription af receptorgener i muskelfiberceller omkring synapsen. Det skal bemærkes, at effekten virker på afstand, og de receptorer, der sidder direkte på den postsynaptiske membran, er ikke undertrykt.
Selvom mekanismerne, der styrer præsynaptisk differentiering, er ukendte, er de ændringer, der forekommer i den udviklende axonale terminal, ret godt karakteriseret. Volumenet og arealet af synaptisk kontakt, volumenet af vesikler, koncentrationen af vesikler i den aktive zone af synapsen samt polariseringen af den præsynaptiske membran stiger. Disse ændringer menes at være medieret af neurotrophin og forskellige celleadhæsionsmolekyler frigivet af myocytten; dette fremhæver vigtigheden af forbindelsen mellem motorneuronen og muskelfiberen i processen med synaptogenese. Det menes, at det er ændringen i genekspression og omfordelingen af synapsens bestanddele, der er nøglemomenterne for præ- og postsynaptisk differentiering. Dette understøttes også af øget ekspression af vesikulære proteingener kort efter synapsedannelse, såvel som deres alokalisering i den axonale terminal.
Umodne synapser viser multipel innervering på grund af den høje tilbøjelighed af nye axoner til at binde sig til allerede eksisterende synapser. Efterhånden som de modnes, adskilles synapserne, og i sidste ende er der kun et axon tilbage ved indgangen; dette sker i en proces kaldet synapse-eliminering. Ved invagination øger den postsynaptiske side desuden det neurotransmittermodtagende overfladeareal. I de tidlige stadier af ontogenese danner Schwann-celler en løs, ikke-myeliniserende kappe, der dækker en gruppe synapser, men efterhånden som de vokser og udvikler sig, indsnævrer kompetencegrænserne for en enkelt neurolemmocyt til én synapse.
Elimination af synapsenSynapse-eliminering, som en af mekanismerne for synaptisk beskæring, indebærer en proces, der direkte afhænger af aktiviteten af konkurrerende axoner. I tilfælde af en bestemt synapse, hvis frekvensen af inputimpulser er tilstrækkelig til at skabe et aktionspotentiale, vil dette fremkalde ekspressionen af synaptotrophin-proteingener i kernen af den postsynaptiske myocyt, og disse proteiner vil opretholde denne synapse. Der opstår en positiv feedback-mekanisme, som er utilgængelig for mindre efterspurgte synapser, som derfor er dømt til eliminering. Det er også blevet foreslået, at ud over synaptotropinerne frigivet ved aktive synapser, forårsager depolarisering af deres postsynaptiske membran frigivelsen af axon-hæmmende synaptotoksiner ved inaktive synapser.
Et bemærkelsesværdigt aspekt af synaptogenese er det faktum, at motorneuroner er i stand til at skelne mellem hurtige og langsomme muskelfibre; Hurtige muskelfibre innerveres af "hurtige" motoriske neuroner, og langsomme muskelfibre innerveres af "langsomme" motoriske neuroner. Der er to hypotetiske veje, hvormed motorneuron-axoner opnår denne specificitet; disse veje adskiller sig fra hinanden i et nøgleøjeblik - graden af selektivitet, hvor axonet og muskelfiberen, der er innerveret af det, interagerer med hinanden, graden af bearbejdning af axonet af inputdata fra myocytten. Den første hypotese antyder, at axoner vælger en "hurtig" eller "langsom" vej afhængig af de signalstoffer, der er forskellige i hurtige og langsomme muskelfibre. Derudover observeres selektivitet selv i de tidlige stadier, når axoner er orienteret i forhold til muskelfibre, således at et bestemt axon innerverer en bestemt muskelcelle. Den anden hypotese er, at axonens bevægelse og dens forbindelse med en specifik myocyt er tilvejebragt af den ekstracellulære matrix, der bader axonen, det vil sige ikke det ultimative mål for axonen, men miljøet bestemmer dens skæbne. Endelig kan det være, at dannelsen af den neuromuskulære forbindelse ikke er forudbestemt, og muskelfibrene får deres hurtige eller langsomme egenskaber bagefter, afhængigt af det innerverende axons karakteristika. Hvis det er tilfældet, så er "hurtige" motoriske neuroner i stand til at omdanne enhver muskelfiber til en hurtig-twitch. Der er mange beviser for alle de beskrevne muligheder, hvilket får en til at tænke over deres kombination i processen med synapsedannelse.
Data opnået i undersøgelser af neuromuskulære synapser kan ekstrapoleres til processerne af synaptogenese i CNS, selvom undersøgelserne af sidstnævnte er meget nyere. Disse to typer forbindelser har meget til fælles. Begge typer synapse har en bevaret grundstruktur: den præsynaptiske nerveterminal, den synaptiske kløft og den modtagende postsynaptiske celle. Begge typer synapse indeholder en høj koncentration af vesikler i det aktive sted, klynger af receptorer på den modtagende membran, og endelig er begge isoleret af specialiserede gliaceller. De processer, der forekommer i dem, er også ret konservative. Disse er receptorklyngning og en lokaliseret stigning i intensiteten af proteinsyntese i aktive centre og synaptisk beskæring ved at eliminere inaktive synapser.
På trods af ovenstående ligheder er der en grundlæggende forskel mellem disse to forbindelser. Da myocytten ikke længere fungerer som en postsynaptisk celle, er de aktive receptorer og deres neurotransmittere fundamentalt forskellige. Endnu vigtigere er det, at neuroner i CNS innerveres af mange andre neuroner samtidigt og skal være i stand til at integrere og behandle en stor mængde input, når muskelfibre innerveres af en enkelt neuron og trækker sig sammen som reaktion på en enkelt impuls. Kombineret med den plasticitet, der ligger i neurale forbindelser, har det neurale netværk i CNS et enormt potentiale for kompleksitet.
Homologen af acetylcholin og dets receptorer i CNS er glutamat- og N-methyl-D-aspartatreceptorer (NMDA). Aktivering af NMDA-receptorer har vist sig at initiere en kaskade af kemiske reaktioner, der fører til synapsedannelse og stabilisering . Et øget niveau af NMDA-receptoraktivitet under synapseudvikling muliggør øget calciumtilstrømning, som fungerer som et sekundært signal. Derudover aktiverer transkriptionsfaktorer primære responsgener (GRP'er), som spiller en vigtig rolle i processer som for eksempel langtidspotentiering. [8] NMDA-receptorfunktion er også forbundet med østrogenreceptorer i hippocampus. Eksperimenter udført med østradiol viser, at eksponering for østrogen signifikant øger synapsetæthed og proteinkoncentration. [9]
Overførslen af en nerveimpuls under synaptogenese afhænger ikke kun af aktiviteten af en enkelt synapse, men også af miljøet omkring denne synapse. For eksempel produceres hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF) af hjernen og regulerer flere funktioner i den udviklende synapse, herunder øget neurotransmitterfrigivelse, øget vesikelkoncentration og kolesterolbiosyntese. Kolesterol er en vigtig strukturel komponent i lipid-dobbeltlaget, der fungerer som et sted for forskellige signal-interaktioner. BDNF-mutanter viser signifikante defekter i neuronal vækst og synapsedannelse. [10] Ud over neurotrofiner spiller celleadhæsionsmolekyler også en vigtig rolle i synaptogenese. På mange måder afhænger synaptogenese af den korrekte lokale binding af et adhæsionsmolekyle til et andet. Det er blevet vist, at defekter i generne, der koder for neuroliginproteiner , et af de vigtigste celleadhæsionsmolekyler, der spiller en rolle i processen med synapsestabilisering, er forbundet med nogle tilfælde af autisme og mental retardering. [11] Endelig kan mange af disse signaleringsprocesser reguleres af matrixmetalloproteinaser (MMP'er).
MorfologiMeget dynamiske websteder, der modtager flere indkommende impulser samtidigt, er dendritiske rygsøjler . Denne morfologiske dynamik skyldes den specifikke regulering af actincytoskelettet, som igen tillader regulering af synapsedannelse. [12] Morfologisk kan dendritiske rygsøjler opdeles i tre hovedtyper: filopodier, slanke rygsøjler og svampeformede rygsøjler. Filopodia initierer kontakt med axonerne af andre neuroner. Filopodia af nydannede neuroner har tendens til at danne kontakter med axoner, der innerverer flere synapser, mens filopodia af ældre neuroner overvejende binder med axoner, der innerverer en enkelt synapse. På grund af den høje dynamik er nogle typer rygsøjle i stand til at passere ind i andre, for eksempel omdannes filopodia let til svampelignende rygsøjler, som er de primære steder for glutamatreceptorer. [13]
Økologisk berigelse er en betegnelse for stimulering af den udviklende hjerne af det fysiske og sociale miljø. Økologisk berigelse fører til, at effektiviteten af synaptogeneseprocesser øges betydeligt. Rotter dyrket i et medium med en sådan effekt viser således en stigning i antallet af synapser med 25 % sammenlignet med kontrollen. [14] [15] Denne effekt observeres uanset om stimulusmiljøet opstår umiddelbart efter fødslen, [16] kort efter fravænning, [17] eller i voksenalderen. [18] Ikke kun for pyramidale neuroner, men også for stjernerneuroner, forårsager miljøberigelse et udbrud af synaptogenese. [19]
I Wnt -proteinfamilien er der flere embryonale morphogener (stoffer, der bestemmer vævsmorfogenesen), som bidrager til den tidlige dannelse af strukturer i det udviklende embryo. Nylige beviser viser bidraget fra denne families morphogener til synaptogenese og plasticitet , hvor familien bidrager til synaptogenese af både CNS-synapser og neuromuskulære synapser.
I cerebellare synapser inducerer Wnt-familien modningen af præ- og postsynaptiske slutninger. Denne region af hjernen indeholder tre hovedtyper af neuroner: Purkinje-celler , granulatceller og mosede fiberceller. I Purkinje-celler stimulerer Wnt-3 væksten af både dendritter og axoner. [20] [21] Granulære celler udtrykker Wnt-7a, som inducerer vækst og forgrening af axoner i mosede fiberceller. Retrograd sekretion af Wnt-7a rettet mod mosede fibre forårsager en stigning i aksonvækstkeglen ved at øge antallet af mikrotubuli . Derudover forårsager retrograd Wnt-7a-signalering akkumulering af synaptiske vesikler og præsynaptiske proteiner i den aktive zone af synapsen. Bnt-5A udfører en lignende funktion i postsynaptiske granulaceller; Wnt-5-signalering stimulerer samlingen af receptorer på membranen, såvel som klyngingen af stilladsproteinet PSD-95 på membranen.
I hippocampus fremmer Wnt-familieproteiner, i kombination med celleelektrisk aktivitet, også synapsedannelse. Wnt7b udtrykkes i modnende dendritter; derudover øges ekspressionen af receptorer fra Frizzled (Fz) familien, specifik for Wnt proteiner, i udvikling af synapser. Glutamat NMDA-receptorer aktiveres som reaktion på ekspressionen af Wnt-2-type proteiner. Langsigtet potensering på grund af NMDA-receptoraktivering og efterfølgende Wnt-ekspression fører til klyngedannelse af Fz-5-type receptorer på membranen af postsynaptiske celler. Derudover øger Wnt-7a og Wnt-2 typer signalering, efter langvarig potentiering medieret på denne måde, intensiteten af den dendritiske forgreningsproces og regulerer også synaptisk plasticitet. Blokering af ekspressionen af Wnt-familieproteiner fører naturligt til hæmning af disse processer. [22]
Lignende mekanismer medieret af Wnt-familien i CNS er godt observeret i de neuromuskulære forbindelser. I Drosophila fører mutationer i Wnt-5-receptoren i neuromuskulære synapser til et fald i antallet og tætheden af aktive centre. Den vigtigste neurotransmitter i dette system er glutamat. Proteiner af Wnt-familien er nødvendige for den korrekte lokalisering af glutamaterge receptorer på den postsynaptiske membran af myocytter. Mutationer i proteinerne i denne familie fører til et fald i intensiteten af depolarisationsbølgen, efter at impulsen er overført fra axonen til muskelfiberen.
Hos hvirveldyr, i neuromuskulære synapser, fremmer ekspressionen af Wnt-11r-proteinet klyngingen af cholinerge receptorer på den postsynaptiske membran af muskelceller. Wnt-3-proteinet udtrykkes af muskelfibre og udskilles retrograd til motorneuroner. I motorneuroner arbejder Wnt-3 sammen med Agrin for at stimulere vækstkegleudvidelse, axonal terminal forgrening og synaptisk vesikelclustering.