Axo-axonische Synapse - Axo-axonic synapse
Eine axo-axonische Synapse ist eine Art Synapse , die von einem Neuron gebildet wird, das seine Axonterminals auf das Axon eines anderen Neurons projiziert .
Axo-axonische Synapsen wurden in jüngerer Zeit gefunden und beschrieben als die anderen bekannteren Arten von Synapsen, wie z. B. axo-dendritische Synapsen und axo-somatische Synapsen. Die räumlich-zeitlichen Eigenschaften von Neuronen werden durch die Art der Synapse zwischen den Neuronen verändert. Im Gegensatz zu den anderen Typen trägt die axo-axonische Synapse nicht zur Auslösung eines Aktionspotentials im postsynaptischen Neuron bei. Stattdessen beeinflusst es die Wahrscheinlichkeit der Freisetzung von Neurotransmittern bei der Reaktion auf ein Aktionspotential, das durch das Axon des postsynaptischen Neurons geht. Daher scheinen axo-axonische Synapsen für das Gehirn sehr wichtig zu sein, um eine spezialisierte neuronale Berechnung zu erreichen .
Axo-axonische Synapsen werden im gesamten zentralen Nervensystem gefunden , einschließlich im Hippocampus , der Großhirnrinde und im Striatum bei Säugetieren; in den neuromuskulären Verbindungen bei Krebstieren ; und in der visuellen Schaltung bei Dipteren . Axo-axonische Synapsen können im postsynaptischen Neuron entweder hemmende oder erregende Wirkungen induzieren . Ein klassisches Beispiel für die Rolle axo-axonischer Synapsen ist die hemmende Wirkung auf Motoneuronen im spinal-somatischen Reflexbogen . Dieses Phänomen ist als präsynaptische Hemmung bekannt.
Hintergrund
Komplexe Verknüpfungen von Neuronen bilden neuronale Netze , die für verschiedene Arten von Berechnungen im Gehirn verantwortlich sind. Neuronen erhalten Eingaben hauptsächlich durch Dendriten , die eine Rolle bei der räumlich-zeitlichen Berechnung spielen, was zum Auslösen eines Aktionspotentials führt, das anschließend durch Axone zu synaptischen Terminals wandert . Basierend auf ihrer Lage können Synapsen in verschiedene Arten eingeteilt werden, wie axo-dendritische Synapsen, axo-somatische Synapsen und axo-axonale Synapsen. Das Präfix hier bezeichnet den Teil des präsynaptischen Neurons (dh 'axo-' für Axone), und das Suffix stellt den Ort dar, an dem die Synapse auf dem postsynaptischen Neuron gebildet wird (dh '-dendritisch' für Dendriten, '-somatisch' für Zellkörper und '-axonic' für Synapsen auf Axonen). Der Ort der Synapse wird die Rolle dieser Synapse in einem Netzwerk von Neuronen bestimmen. In axo-dendritischen Synapsen beeinflusst die präsynaptische Aktivität die räumlich-zeitliche Berechnung in postsynaptischen Neuronen, indem sie das elektrische Potential im dendritischen Zweig verändert. Während die axo-somatische Synapse die Wahrscheinlichkeit des Auslösens eines Aktionspotentials im postsynaptischen Neuron beeinflusst, indem sie hemmende oder erregende Effekte direkt am Zellkörper verursacht .
Während die anderen Arten von Synapsen die postsynaptische neuronale Aktivität modulieren, zeigen die axo-axonischen Synapsen subtile Auswirkungen auf die neuronale Informationsübertragung auf Netzwerkebene. In solchen Synapsen, die Aktivität in präsynaptische Neuronen nicht ändern , um das Membranpotential (dh depolarisieren oder hyperpolarisieren ) des Zellenkörpers von postsynaptischen Neuronen weil präsynaptischen Neuronen direkt auf den Axone der postsynaptischen Neuronen projizieren. Somit beeinflusst die axo-axonische Synapse hauptsächlich die Wahrscheinlichkeit der Neurotransmitter- Vesikel-Freisetzung als Reaktion auf ein Aktionspotential, das im postsynaptischen Neuron feuert. Im Gegensatz zu anderen Arten von Synapsen manipuliert die axo-axonische Synapse die Auswirkungen des Feuerns eines postsynaptischen Neurons auf die Neuronen weiter stromabwärts im Netzwerk. Aufgrund des Mechanismus, wie axo-axonische Synapsen funktionieren, sind die meisten dieser Synapsen hemmend, und dennoch zeigen einige erregende Wirkungen in postsynaptischen Neuronen.
Geschichte
Der erste direkte Beweis für die Existenz von axo-Axonic Synapsen wurde 1962 Gray von EG Gray vorgeschrieben sind elektronenmikroskopischen Aufnahmen von axo-Axonic Synapsen auf den gebildeten Anschlüssen des Muskel Afferenzen im Rücken somatischen beteiligt Reflexbogen in einem Katzenrückenmark Scheiben . Später prägte Gray den Begriff „axo-axonisch“, nachdem er eine fotografische Bestätigung von bis zu zwölf axo-axonischen Synapsen erhalten hatte. Innerhalb der nächsten zwei Jahre fanden Wissenschaftler an verschiedenen anderen Stellen des Nervensystems bei verschiedenen Tieren axo-axonische Synapsen, etwa in der Netzhaut von Katzen und Tauben, im seitlichen Kniehöcker von Affen, im Riechkolben von Mäusen und in verschiedenen Lappen im Oktopus-Gehirn. Dies bestätigte weiter die Existenz von axo-axonischen Synapsen im Gehirn über Tierstämme hinweg.
Vor der Entdeckung axo-axonischer Synapsen sagten Physiologen bereits im Jahr 1935 die Möglichkeit solcher Mechanismen voraus, nachdem sie elektrophysiologische Aufzeichnungen und Quantenanalysen von Gehirnsegmenten beobachtet hatten. Sie hatten hemmende Reaktionen in postsynaptischen Motoneuronen bei der Schnittpräparation des monosynaptischen Reflexbogens beobachtet. Bei gleichzeitigen Aufzeichnungen von präsynaptischen und postsynaptischen Neuronen konnten die Physiologen die seltene Hemmung, die im postsynaptischen Neuron beobachtet wurde, ohne Veränderungen des Membranpotentials im präsynaptischen Neuron, nicht verstehen . Zu dieser Zeit war dieses Phänomen als „präsynaptische hemmende Wirkung“ bekannt, der Begriff, der 1959 von Karl Frank vorgeschlagen und später von John Eccles in seinem Buch gut zusammengefasst wurde. Nach Grays Entdeckung der axo-axonischen Synapse im Jahr 1962 bestätigten Wissenschaftler, dass dieses Phänomen tatsächlich auf die im Reflexbogen vorhandene axo-axonische Synapse zurückzuführen ist.
In jüngerer Zeit entdeckten Forscher im Jahr 2006 die ersten Hinweise auf erregende Effekte, die durch eine axo-axonische Synapse verursacht werden. Sie fanden heraus, dass GABAerge Neuronen auf die Axone von Pyramidenzellen in der Großhirnrinde projizieren, um axo-axonische Synapsen zu bilden und erregende Effekte in kortikalen Mikroschaltkreisen hervorzurufen.
Funktion
Unten sind die Gehirnorte aufgeführt, an denen axo-axonische Synapsen bei verschiedenen Tieren gefunden werden.
Kleinhirnrinde
Die axo-axonische Synapse in der Kleinhirnrinde erschien ursprünglich in einer der Zeichnungen von Santiago Ramón y Cajal in seinem 1909 veröffentlichten Buch. Später wurde mittels Elektronenmikroskopie bestätigt, dass das Korbzell- Axon auf dem Axonhügel der Purkinje-Zellen in der Kleinhirnrinde bei Katzen und anderen Säugetieren und bildet axo-axonische Synapsen. Die erste elektrophysiologische Charakterisierung einer auf Purkinje-Zellen gebildeten axo-axonischen Synapse erfolgte 1963, wobei festgestellt wurde, dass die präsynaptischen Korbzell-Axone den terminalen Output postsynaptischer Purkinje-Zellen durch die axo-axonische Synapse hemmen. Eine Studie auf Netzwerkebene ergab, dass die Körnerzellen (auch bekannt als die parallelen Fasern), die Purkinje-Zellen aktivierten, auch die Korbzellen aktivierten, die anschließend die Wirkung der Purkinje-Zellen auf das nachgelagerte Netzwerk hemmten.
Zerebraler Kortex
Axo-axonische Synapsen werden im visuellen Kortex (in V1 und V2) bei Säugetieren gefunden und wurden bei Katzen, Ratten und Primaten wie Affen gut untersucht. Die Synapse wird auf den Anfangssegmenten der Axone von Pyramidenzellen in mehreren Schichten in der Sehrinde gebildet. Die projizierten Neuronen für diese Synapsen stammen aus verschiedenen Teilen des Zentralnervensystems und des Neocortex . Ebenso finden sich axo-axonische Synapsen im motorischen Kortex , im Subiculum und im piriformen Kortex . Im striatischen Kortex werden, wie die Methode von Golgi und die Elektronenmikroskopie zeigten, bis zu fünf axo-axonische Synapsen auf einer einzelnen Pyramidenzelle gebildet. In der Großhirnrinde können hemmende axo-axonische Synapsen eine weit verbreitete Rolle bei der Aktivität auf Netzwerkebene spielen, indem sie ein synchronisiertes Feuern von Pyramidenzellen ermöglichen, im Wesentlichen durch Modulieren der Schwelle für die Ausgabe dieser Zellen. Diese Synapsen werden auch auf den anfänglichen Segmenten von Axonen in Pyramidenzellen im somatosensorischen Kortex und im primären olfaktorischen Kortex gefunden, von denen festgestellt wird, dass sie die hemmende Art sind. Studieren Sie die Standorte axo-Axonic Synapsen im primären olfaktorischen Kortex haben Forscher vorgeschlagen , dass axo-Axonic Synapsen eine wichtige Rolle spielen kann bei der Synchronisation Schwingungen im piriformen Cortex (im olfaktorischen Kortex), die hilft olfaction . Die axo-axonischen Synapsen finden sich auch im Hippocampus . Es wird gefunden, dass diese Synapsen hauptsächlich auf Hauptzellen in Stratum oriens und Stratum pyramidale und selten auf Stratum radiatum gebildet werden; sie erhalten gewöhnlich Projektionen von GABAergen lokalen Interneuronen . Die horizontalen Interneurone zeigen eine laminare Verteilung von Dendriten und sind an axo-axonischen Synapsen im Hippocampus beteiligt, die direkte synaptische Inputs von CA1- Pyramidenzellen erhalten. Somit weisen diese Studien im Allgemeinen darauf hin, dass axo-axonische Synapsen einen grundlegenden Mechanismus der Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde bereitstellen können .
Basalganglien
Mikroskopische Untersuchungen im Striatum deuteten zuvor auf das seltene Auftreten von axo-axonischen Synapsen in einzelnen Abschnitten hin. Extrapolationen aus den topologischen Daten deuten auf eine viel höhere Anzahl solcher Synapsen im Striatum hin, wo die therapeutische Rolle der axo-axonischen Synapsen bei der Behandlung von Schizophrenie zuvor postuliert wurde. In dieser Studie untersuchten die Autoren 4.811 Synapsen in Rattenstriatum-Schnitten, von denen 15 die axo-axonischen Synapsen waren. Diese axo-axonischen Synapsen werden von dopaminergen inhibitorischen Interneuronen (auf der präsynaptischen Seite) gebildet, die auf die Axone glutamaterger kortiko-striataler Fasern im Rattenstriatum projizieren.
Hirnstamm
Axo-axonische Synapsen befinden sich im spinalen Trigeminuskern im Hirnstamm . Elektronenmikroskopische Untersuchungen am Hirnstamm von Kätzchen quantifizierten die Synaptogenese axo-axonischer Synapsen im spinalen Trigeminuskern in verschiedenen Entwicklungsaltern des Gehirns. Die Autoren identifizierten die Synapsen, indem sie die im synaptischen Spalt freigesetzten Vesikel zählten , was in den mikroskopischen Aufnahmen zu sehen ist . Es wurde gezeigt, dass axo-axonische Kontakte während der gesamten Entwicklungsphase, beginnend vom Alter von 3 Stunden bis zum Alter von 27 Tagen bei Kätzchen, kontinuierlich zunehmen. Die höchste Synaptogeneserate tritt während der ersten 3 bis 6 Tage auf, an deren Ende der spinale Trigeminuskern des Kätzchens fast die Hälfte der axo-axonischen Synapsen bei erwachsenen Katzen aufweist. Später, im Alter zwischen 16 und 27 Tagen, kommt es zu einem weiteren Anstieg der axo-axonischen Synaptogenese. Axo-axonische Synapsen werden auch im solitären Nukleus (auch bekannt als Nukleus des Solitärtrakts) beobachtet, nur im kommissuralen Teil in den neuroanatomischen Studien, die 5-Hydroxydopamin zur Markierung axo-axonischer Synapsen verwendeten. Axo-axonische Synapsen werden an den Barorezeptorterminals durch die präsynaptischen adrenergen Fasern gebildet und sollen eine Rolle beim Baroreflex spielen .
Rückenmark
Axo-axonische Synapsen werden im spinalen Reflexbogen von Säugetieren und in der Substantia gelatinosa von Rolando (SGR) gefunden. Im Rückenmark werden axo-axonische Synapsen an den Enden sensorischer Neuronen mit präsynaptischen hemmenden Interneuronen gebildet. Diese Synapsen wurden zuerst mit intrazellulären Aufzeichnungen von spinalen Motoneuronen bei Katzen untersucht und es wurde gezeigt, dass sie eine präsynaptische Hemmung verursachen. Dies scheint ein üblicher Mechanismus im Rückenmark zu sein, bei dem GABAerge Interneurone die präsynaptische Aktivität in sensorischen Neuronen hemmen und schließlich die Aktivität in Motoneuronen kontrollieren, was eine selektive Kontrolle der Muskeln ermöglicht. Um das Vorkommen axo-axonischer Synapsen in der SGR-Region bei Ratten zu quantifizieren, wurden 54 solcher Synapsen unter den insgesamt 6.045 untersuchten Synapsen gefunden. Es wurde gezeigt, dass diese 54 axo-axonischen Synapsen entweder agranuläre Vesikel oder große granuläre Vesikel aufweisen.
Vestibuläres System
Axo-axonische Synapsen werden bei Ratten im Nucleus vestibularis lateralis gefunden . Axo-axonische Synapsen werden aus den kleinen Axonen von Interneuronen an den Axonenden großer Axone gebildet, die stromaufwärts des dendritischen Hauptstamms liegen. Interessanterweise behaupteten die Autoren, dass axo-axonische Synapsen, die bei Ratten reichlich vorhanden sind, bei Katzen im lateralen Vestibulariskern fehlen. Sie stellen fest, dass die bei Katzen identifizierten und beschriebenen Arten von Axonterminals alle bei Ratten gefunden werden, aber das Gegenteil ist nicht der Fall, da die Axone, die die axo-axonischen Synapsen bilden, bei Katzen fehlen. Diese Synapsen werden vorgeschlagen, um komplexe neuronale Berechnungen für den vestibulären Reflex bei Ratten zu ermöglichen.
Hinterhirn
Axo-axonische Synapsen werden in den Mauthner-Zellen von Goldfischen gefunden. Der Axonhügel und die ersten Axonsegmente von Mauthner-Zellen erhalten Endstücke von extrem feinen, nicht myelinisierten Fasern, die den Axonhügel mit helikalen Vorsprüngen bedecken. Diese helikalen Fortsätze um Mauthner-Zellen werden auch als Axonkappe bezeichnet. Der Unterschied zwischen den axo-axonischen Synapsen und anderen Synapsen auf Mauthner-Zellen besteht darin, dass Synapsen auf Dendriten und Soma myelinisierte Fasern erhalten, während Axone nicht myelinisierte Fasern erhalten. Mauthner-Zellen sind große Neuronen, die bei Fischen an schnellen Fluchtreflexen beteiligt sind . Somit könnten diese axo-axonischen Synapsen das Escape-Netzwerk selektiv deaktivieren, indem sie die Wirkung von Mauthner-Zellen auf das neuronale Netzwerk weiter stromabwärts kontrollieren. Die Untersuchung der morphologischen Variation der axo-axonischen Synapsen am Axonhügel in Mauthner-Zellen legt nahe, dass diese Synapsen evolutionär jünger sind als die Mauthner-Zellen. Die Reaktion auf den Schreck kann phylogenetisch kartiert werden , was bestätigt, dass basale aktinopterygische Fische mit wenig bis gar keinen axo-axonischen Synapsen auf Mauthner-Zellen eine schlechtere Fluchtreaktion zeigen als Fische mit axo-axonischen Synapsen.
Neuromuskulären Synapse
Hemmende axo-axonische Synapsen werden in den neuromuskulären Verbindungen von Krebstieren gefunden und wurden bei Krebsen umfassend untersucht. Axo-axonische Synapsen werden auf den exzitatorischen Axonen als postsynaptisches Neuron von den Motoneuronen von der präsynaptischen Seite gebildet. Motoneuronen, die der häufigste Inhibitor bei Extremitätenschließern und Extremitätenbeugern von Krabben sind, bilden zusätzlich zur neuromuskulären Verbindung mit den Muskeln bei Krebsen axo-axonische Synapsen . Diese Synapsen wurden erstmals 1967 beobachtet, als festgestellt wurde, dass sie in der Beinmuskulatur von Krebsen und Krabben eine präsynaptische Hemmung verursachen. Nachfolgende Studien fanden heraus, dass axo-axonische Synapsen je nach Lage der Beinmuskulatur vom Nervensystem unterschiedliche Häufigkeiten zeigten. Zum Beispiel haben proximale Regionen dreimal so viele axo-axonische Synapsen wie die zentralen Regionen. Diese Synapsen sollen funktionieren, indem sie die Freisetzung von Neurotransmittern für kontrollierte Beinbewegungen einschränken .
Klinische Bedeutung
Ein Beispiel für die physiologische Rolle von axo-axonischen Synapsen, die von GABAergen hemmenden Interneuronen zu den Axonen von Körnerzellen gebildet werden , ist die Auslösung spontaner Anfälle, die ein Schlüsselsymptom der hartnäckigen Epilepsie sind . Es wurde festgestellt, dass die präsynaptischen hemmenden Interneurone, die durch Cholecystokinin und GAT-1 markiert werden können, die Spitzenleistung der Körnerzellen modulieren. Dieselben Zellen projizieren anschließend erregende Moosfasern zu pyramidalen Neuronen in der Hippocampus- CA3-Region .
Eine der beiden führenden Theorien zur Pathoätiologie der Schizophrenie ist die Glutamat-Theorie. Glutamat ist ein gut untersuchter Neurotransmitter für seine Rolle beim Lernen und Gedächtnis sowie bei der Gehirnentwicklung während der Schwangerschaft und im Kindesalter. Studien an Rattenstriatum fanden hemmende axo-axonische Synapsen, die auf den glutamatergen kortiko-striatalen Fasern gebildet wurden. Sie schlugen vor, dass diese axo-axonischen Synapsen im Striatum für die Hemmung der glutamatergen Neuronen verantwortlich sein könnten. Außerdem wird vorgeschlagen, dass diese dopaminergen Synapsen eine hyperdopaminerge Aktivität verursachen und für die postsynaptischen glutamatergen Neuronen neurotoxisch werden . Dieser Mechanismus wird als möglicher Mechanismus für eine Glutamat-Dysfunktion bei beobachteter Schizophrenie angesehen.
Entwicklung
Eine Studie am Rückenmark von Mäusen legt nahe, dass der sensorische Ig/ Caspr4- Komplex an der Bildung axo-axonischer Synapsen an propriozeptiven Afferenzen beteiligt ist. Diese Synapsen werden durch Projektion von GABAergen Interneuronen auf sensorische Neuronen gebildet , die den Motoneuronen vorgelagert sind. In der axo-axonischen Synapse führt die Expression des NB2 (Contactin5)/Caspr4-Korezeptorkomplexes in postsynaptischen Neuronen zusammen mit der Expression von NrCAM/CHL1 in präsynaptischen Interneuronen zu einer erhöhten Anzahl solcher Synapsen, die sich im Rückenmark bilden. Außerdem reduzierte das Knock- out von NB2 aus den sensorischen Neuronen die Anzahl der axo-axonischen Synapsen von GABAergen Interneuronen, was auf die Notwendigkeit und die Rolle von NB2 bei der Synaptogenese von axo-axonischen Synapsen hindeutet.
Siehe auch
Verweise
Weiterlesen
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