A szinaptikus metszés a szinapszisok kiküszöbölésének folyamata , amely a gyermekkor és az ember pubertása kezdete között fordul elő . Ugyanez a jelenség fordul elő sok emlősnél. Ez a mechanizmus egyrészt az axonok metszéséből, másrészt a dendritek metszéséből áll .
A szinaptikus kapcsolatok metszése, szorosan kapcsolódva a gyermek tanulási fázisához és a gyermek neurokognitív fejlődéséhez , lehetővé teszi az idegsejtcsomagok finomítását, de az elavulttá vagy hiányossá vált idegsejt-struktúrák megszüntetését is. Ebből a célból ez a folyamat szelektív és szinaptikus szabályozóként működik.
A szinaptikus metszés egy biológiai mechanizmus , amely az idegfejlődés során beavatkozik, és amely a szinapszisok masszív megszüntetéséből áll , amely lehetővé teszi a szinaptikus hálózat jobb felhasználását, és ezért jobb agyhatékonyságot. Noha főként emberekben figyelhető meg , emlősöknél sok kutatási munkát végeztek ennek a neurobiológiai folyamatnak a tanulmányozására . Ezek a vizsgálatok kimutatták, hogy az emlősök egyéb fajai, különösen a főemlősök , szintén szinaptikus metszésnek vannak kitéve. Az embernél a szinapszisok metszése az újszülött születésekor kezdődik, de különösen később figyelhető meg a nemi érés (vagy pubertás ) fázisával .
A születéskor az emberi agynak körülbelül 100 milliárd neuronja van, és hasonló számú nem-neuronális agysejt van. Az idegsejtek számát felnőttkorban 86,1 milliárd ± 8,1 millió neuronra becsülik. Míg néhány tényező továbbra agysejtek fejlődését és az agy növekedését, más tényezők kiküszöbölése bizonyos sejtek és kapcsolások érdekében, hogy a agy hálózat és működés hatékonyabbá tétele. Így két tényező járul hozzá az agy fejlődéséhez: egyrészt az idegsejtek közötti szinaptikus kapcsolatok jelentős növekedése, más néven " exuberant synaptogenesis " kifejezéssel is, amikor az egyén 2 vagy 3 éves korát eléri, és másrészt d ' viszont a mielinizáció az idegrostok . Az idegsejtek száma azonban csökken a programozott sejthalál ( apoptózis ) folyamata által, és annak ellenére, hogy a neurogenezis folyamata folytatódik, de erősen lelassult.
Gyermekkorban a szinapszisok szaporodnak, míg serdülőkor után a szinaptikus kapcsolatok mennyisége csökken a szinaptikus metszés miatt. Így a gyermekektől kezdve a szinaptikus kapcsolatok hatalmas fejlődésének időszakát a metszés időszaka követi. A kifejezés a fák vagy cserjék biológiai fejlődésének analógiájából származik: összehasonlíthatjuk a szinaptikus kapcsolatokat a növekvő és megszilárduló fák ágaival; a metszés e túl sok és felesleges következmény levágásából és csökkentéséből áll. Így a sztereotip metszés modellezése analógiát találhat a „fa méretével” , a gliasejtekkel, amelyek akkor „kertészként” működnek .
A szinaptikus metszés a szinaptofizin transzformációkkal párhuzamosan történik . Részt vesz az agy térfogatának és a szinaptikus sűrűség változásában: a fehér anyag és a szürke anyag kapcsolata módosul. Serdülőkortól kezdve a szürkeállomány mennyisége csökkenési szakaszon megy keresztül. A redukciónak ez a fázisa, amely felnőttkorig tart, összhangban van a mielinizációs mechanizmusokkal . Sőt, míg a szürkeállomány szintje fordított görbe vonalú görbét követ, a fehérállomány lineáris evolúciót mutat.
Az infantilis és a pubertás fejlődési szakaszban a szinaptikus metszési folyamat az agy különböző területeitől függően eltérő módon fejlődik . Kezdetben, gyermekkorban, a szinaptikus metszés főként a motoros és érzékszervi területeken, az úgynevezett „elsődleges” területeken történik . Ezt követően a metszés a bonyolultabb információ-feldolgozást érintő területeket érinti, például a prefrontális kéreget .
A metszési mechanizmus a neuronok "válaszaként" jelenik meg, amikor környezeti tényezők és külső ingerek befolyásolják őket . Ezt a szabályozási mechanizmust úgy tekintik, hogy szorosan kapcsolódik a tanuláshoz . Az 1990-es évek eleje óta az agyi képalkotó technikával végzett munka megmutatta, hogy a szinaptikus metszés kíséri a gyermek neurokognitív fejlődését . Ugyanebben a perspektívában a tudományos tanulmányok lehetővé tették annak megfigyelését, hogy ez a szinaptikus folyamat, a homeosztatikus típusú jelenséghez kapcsolódó tényező , főleg a pihenés fázisaiban fordul elő .
Az 1970-es évek első felében Brian Cragg számos tanulmányt tett közzé patkányok és különösen macskák szinaptikus fejlődéséről és plaszticitásáról, mielőtt emberen folytatta volna a kutatását . 1975-ben egyik tanulmánya lehetővé tette, hogy a macska vizuális kérgében lévő szinaptikus sűrűségre vonatkozó becslésekhez eljusson a fejlődés különböző szakaszaiban, a vemhesség 37 napjától a felnőttkorig. Megállapította a szinaptikus sűrűség gyors növekedését a születés után 8–37 nappal. Becsülni tudta azt is, hogy a szinaptikus sűrűség addig nő, amíg a születés után hét héttel el nem éri a neurononként körülbelül 13 000 szinapszis csúcsát, és a szinaptikus sűrűség csökkenését mutatta, még mindig a macska vizuális kérgében, az elérési értékek enyhén alacsonyabb, mint a maximális érték, mivel a gliasejtek tovább fejlődnek. Ugyanebben az évben (1975) Cragg közzétette az emberi agy szinapszisainak (és idegsejtjeinek) sűrűségével foglalkozó első tanulmányok egyikét az idős emberek frontális és temporális lebenyének tanulmányozásával, köztük 3 súlyos mentális retardációval. magasabb szinapszisszám a kontroll csoporthoz képest.
Két évvel később Jennifer Lund (in) és munkatársai hasonló eredményeket értek el, amikor tanulmányozták a vizuális kéreg fejlődését a majomban, kiemelve a dendritikus tüskék metszését , majd ismét 1979-ben. Lund és munkatársai ezt követően azt az ötletet javasolták, hogy "a szinaptikus az érintkezések ugyanolyan szelektívek és konstruktívak lehetnek a látássérült idegsejtek végső funkciója felé, mint a specifikus szinaptikus kontaktusok kialakulása " .
Az 1980-as években folytatódott a szinaptikus metszés jelenségének feltárása az állatok egyéb kérgi területeire vonatkozó tanulmányokkal , különösen Pasko Rakic , Patricia Goldman-Rakic és munkatársaik munkájával, akik a látási terület mellett a szomatoszenzoros és a motoros területeken , valamint a prefrontális kérget majmokban vizsgálták . Egy másik, 1993-ban elvégzett tanulmány lehetővé tette, hogy Pasko Rakic és JP Bourgeois majmokban felfedezzék, hogy egy olyan időszak után, amikor a szinaptikus sűrűség rendkívül gyorsan megnő , az állat nemi érettségének korában (3 év) eljut egy fennsíkra . ). Ebben a szakaszban a kéreg területei érésen mennek keresztül, amely területenként eltér: míg a szinaptikus sűrűség gyorsan csökken, mielőtt stabilizálódik 4-5 éves korban a szomatoszenzoros és motoros területeken, addig ez a prefrontális kéreg, amelynél a kutatók 3 évtől kezdve a szinaptikus sűrűség progresszív csökkenését figyelték meg, és amely stabilizálás helyett az állat egész életében folytatódik. Elemzésük elmélyítésével arra a következtetésre jutottak, hogy a szinapszisok száma valóban csökkent, és nem csupán a szinaptikus sűrűség csökkenése következett be az agy térfogatának növekedése miatt a fejlődés során. Becsléseik szerint 2-3 év alatt másodpercenként 2500 szinapszis tűnik el az agy minden féltekéjének elsődleges vizuális területén .
A születés, neuronok belül vizuális és motoros agykérget szorosan kapcsolódnak a felső colliculus , a gerincvelő , hanem a híd - a közép-felső része a agytörzs , más néven a „ Varole híd”. " -. Az egyes kéregekben található idegsejteket szelektíven metszik, így a funkcionálisan megfelelő feldolgozó központokkal kapcsolatot létesítenek. Ennek eredményeként a vizuális kéregben található idegsejtek felemelik a szinapszisokat a gerincvelő neuronjaival, és a motoros kéreg megszakítja a kapcsolatot a felső kolliculussal . A metszésnek ezt a változatát "nagyméretű sztereotip axonmetszésnek" nevezik . A neuronok hosszú axiális ágakat nyújtanak megfelelő vagy nem megfelelő célterületekre. Ebben a szakaszban a nem megfelelő kapcsolatok végül megszűnnek.
A regresszív események finomítják a neurogenezis során létrejövő kapcsolatok, kötések rengetegségét , hogy egy specifikus és érett áramkört hozzanak létre. A neurolízis , az idegsejt apoptózisa által meghatározott folyamat és a metszés a két fő biológiai folyamat a nem kívánt szinaptikus kapcsolatok szétválasztására. Az apoptózis során eltávolítják az idegsejteket, és az összes hozzájuk kapcsolódó kapcsolatot is eltávolítják. Ezzel szemben a metszési folyamat során az a neuron, amely nem hal meg, megköveteli az axonok visszahúzását a funkcionálisan nem megfelelő szinaptikus kapcsolatokból.
Megállapították, hogy a szinaptikus metszés vége vagy célja a felesleges idegi struktúrák eltávolítása az agyból. Tehát, ahogy az emberi agy fejlődik, a bonyolultabb struktúrák megértésének szükségessége sokkal relevánsabbá válik, és a gyermekkorban kialakult egyszerűbb asszociációkat előre elrendelik, hogy összetettebb struktúrákkal helyettesítsék.
Bár több összefüggéseit ez szinaptikus eliminációs mechanizmus és a szabályozás a kognitív fejlődés a gyermekkorban , metszés látható, hogy egy folyamat eltávolítása neuronok lehet sérült vagy lebomlott fokozása érdekében, és megkönnyítik a képességét, hogy „hálózat” egy adott területen az agy. Ezenkívül megállapították, hogy a mechanizmus nemcsak a fejlesztésben és a javításban működik, hanem az alacsonyabb szinaptikus hatékonyságú neuronok kiküszöbölésével az operatívabb agyműködés folyamatos fenntartásának eszközeként is. Szerint a Jean-Pierre Changeux , neurobiológus a College de France , szinaptikus metszés származó bevétel „szelektív stabilizálása szinapszisok által mechanizmust neuronális darwinizmus ” .
A tanuláshoz kapcsolódó metszést "kisméretű axon tengely metszésnek" nevezzük . Az axonok rövid axiális végződésüket kiterjesztik a célterületen belüli neuronokra. Ezen megszüntetések egy részét a „verseny” hatása megszünteti . Az axonális kötés kiválasztásának formája a „használd vagy veszítsd el” elvet követi , ezt a szelektív tulajdonságot a szinaptikus képlékenység határozza meg . Ez azt jelenti, hogy a gyakran használt szinapszisok szoros kapcsolatban állnak, míg a ritkán használt szinapszisok megszűnnek. A gerinceseknél megfigyelt példák között szerepel az axonális végek metszése a neuromuszkuláris csomópontban , amely a perifériás idegrendszerben helyezkedik el , valamint a rostok bejutásának metszése a kisagyba , az agy szerkezetébe, amely az egész központi részhez viszonyítva idegrendszer .
Az emberi fajokban a szinaptikus metszés meglétét a gliasejtek és a neuronok gyermekek és felnőttek becsléseiben mutatkozó különbségek figyelembevételével lehet megállapítani : ez a szám a vizsgált két populáció között jelentősen eltér a dorzális középső thalamusus magjában .
Az Oxfordi Egyetem 2007-es tanulmányában a kutatók összehasonlították az újszülöttek 8 emberi agyát 8 felnőttével. Ezt a munkát méretalapú becslések és a sztereológiai frakcionálás során összegyűjtött bizonyítékok felhasználásával végezték . Kimutatták, hogy a felnőtt idegsejtek populációinak becslése átlagosan 41% -kal volt alacsonyabb, mint az általuk mért régióban, a középső-dorzális thalamus magban az újszülötteké.
Ami azonban a gliasejtek teljes számát illeti, azok száma felnőtteknél magasabb, mint újszülötteknél: átlagosan 36,3 millió felnőttnél, szemben az újszülöttek 10,6 milliójával. Úgy gondolják, hogy az agy szerkezete megváltozik, ha posztnatális helyzetekben degeneráció és kudarc fordul elő, bár ezeket a jelenségeket egyes tanulmányokban nem figyelték meg. A fejlődési szakaszban nem valószínű, hogy a programozott sejthalál következtében veszteséget szenvedő idegsejteket újrafelhasználják, inkább új neuronális vagy szinaptikus struktúrákkal helyettesítik. Kimutatták, hogy ezek a mechanizmusok párhuzamos szerkezeti változásokkal járnak a subkortikális szürkeállományon belül .
A szinaptikus metszés külön szerepel az idősebb egyéneknél megfigyelt regresszív eseményektől. Bár a fejlesztés metszése a tapasztalatoktól függ, a kapcsolatok romlása, az időskorral szinonim folyamat, nem az.
A szinaptikus metszést magyarázó három modell az axonális degeneráció, az axonos visszahúzódás és az axonhullás. A szinapszisokat minden esetben egy átmeneti axonterminál képezi, és a szinapszis megszüntetését az axon metszése okozza. Mindegyik modell különféle módszert kínál, amelyben az axont eltávolítják a szinapszis eltávolítására. A kis léptékű axonmetszésnél az idegi aktivitást fontos szabályozónak tekintik, de a molekuláris mechanizmus továbbra sem tisztázott. Másrészt valószínű, hogy a hormonok és a trofikus tényezők a fő külső tényezők, amelyek nagyban szabályozzák a sztereotip axonok metszését.
Egy olyan fajban, mint a Drosophila , jelentős változások történtek az idegrendszerben annak metamorfózisa során . Metamorphosis váltja ekdizon (egy szteroid , mint a hormon-molekula ), és ez alatt az ugyanazon időszak kiterjedt metszés és átszervezése a neurális hálózati szinten történik. Így ez a megfigyelés lehetővé tette annak megállapítását, hogy ebben a rovarban a szinaptikus metszés akkor aktiválódik, amikor az ecdysone receptorok aktiválódnak. A gerincesek neuromuszkuláris csatlakozásán végzett denervációs vizsgálatok azt mutatták, hogy az axon elimináció mechanizmusa jelentősen hasonló a Waller-féle degenerációhoz . Ezzel szemben a Drosophilában megfigyelt átfogó és egyidejű szinaptikus eliminációs folyamat eltér az emlős idegrendszerének metszésétől, utóbbi lokálisan és a fejlődés több szakaszában zajlik.
Az axon ágai disztálisan (a végtag vége közelében) visszahúzódnak a proximálisra (a végtag alapja közelében). Ebben az esetben nagyon valószínű, hogy a visszahúzott axon tartalmat az axon más részeibe visszavezetik. Az axon metszésének biológiai mechanizmusa azonban továbbra is bizonytalan az emlősök központi idegrendszerét illetően. Tanulmányok a egereken kimutatták, hogy a metszés kapcsolatos lehet az úgynevezett „orientáció” molekulákat . A "vezető" molekulák arra szolgálnak, hogy az axonok visszataszítással történő lokalizálását szabályozzák, valamint a kiálló szinaptikus kapcsolatok metszését kezdeményezzék. A ligandumok a szemaforin , a receptorok a neuropilins 1 és 2, hanem azokat is, a piexinekkel (en) megindítására alkalmazzák neuritek, hogy megindítja az hippocampo - septum metszés és a infrapyramidal köteg (IPB) . Megállapították, hogy a hippocampusból származó vetületek sztereotipikus metszése jelentősen károsodott a Plexin-A3 hibás egerekben. Pontosabban, az átmeneti célhoz kapcsolt axonok visszahúzódnak, amint a Plexin-A3 receptorokat aktiválják a 3. osztályú szemaforin ligandumok. Az IPB expresszióját mRNS számára szemaforincsalád 3F (in) , jelen van a hippocampus a születés előtti időszakot, elveszett a születés után, és visszatért a stratum oriens (in) (részben a „csikóhal). Ezzel párhuzamosan az IPB metszés megjelenése körülbelül ugyanabban az időben történik. A hippocampo-septum területről származó vetületek esetében a cél mRNS expresszióját, amely Sema3A-t hoz létre, 3 nap múlva megkezdtük a metszést. Ez a bizonyíték arra utal, hogy a metszést akkor indítják el, amikor a ligand a kimutatható mRNS megjelenése után néhány nappal eléri a fehérje küszöbszintjét. Az axonok metszése a vizuális kortikospinális cső (CST) mentén hibás a neuropilin-2 mutánsokban; míg a kettős plexin-A3 és plexin-A4 mutáns egereknél a metszés során a Sema3F normálisan expresszálódik a gerincvelőben. Ezenkívül ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy a "kettős plexin-A3 és a plexin-A4" egyedeknél nem figyelhető meg a motoros CST méretbeli eltérése .
Sztereotipikus metszést figyeltek meg a túlfeszített axonális ágak kialakításakor a retinotópia kialakulása során is . Tanulmányok kimutatták, hogy nemcsak az efrin , hanem ennek a molekulának (Eph) a receptorai is szabályozzák és irányítják a retina axiális ágait. Kimutatható volt az Ephrine-A és az EphA közötti előrejelzés az anatómiai elülső-hátsó tengely mentén : ebből a célból úgy tűnik, hogy ez a kölcsönhatás meghatározza a hátsó retina axiális ágának kialakulásának gátlását egy terminális területtel. A Direct jelző a végzónába jutott axonok metszését is elősegíti. Ezzel szemben még nem sikerült egyértelműen megállapítani, hogy az IPB metszésében megfigyelt visszahúzódási mechanizmus alkalmazható-e a retina axonjaira .
Az ephrin B fehérjék és azok Eph B receptor tirozin kinázai közötti reverz szignalizációról kiderült, hogy elindítja az retenciós mechanizmust az IPB-ben. Sőt, megfigyelések azt mutatták, hogy az Ephrin-B3 (en) molekula átalakítja a tirozin inverz jelektől függő foszforilezését a hippokampusz axonjaiban, amelyek kiváltják a túlzott IPB-rostok metszését. A javasolt posztulátum azt sugallja, hogy az EphB a célsejtek felületén expresszálódik, ami az Ephrin-B3 tirozin foszforilezéséhez vezetne . Az Ephrin-B3 alapvető kötődése a Grb4 citoplazmatikus adapter fehérjéhez a " Dock " 180 és a PKA enzimek által aktivált kinázok toborzásához és megkötéséhez vezet . Az összekötő DOCK180 (en) növeli a Rac-GTP (en) szintet , és a PKA a lefelé irányuló jelzéssel aktivált Rac irányítását szolgálja, ami az axon visszahúzódásához vezet, ami lehetséges metszést eredményez.
Az egér neuromuszkuláris csomópontjaiban visszahúzódó axonokon végzett valós idejű képalkotás azt mutatta, hogy az axon metszése egy kiválasztási jelenségnek tudható be. A visszavonuló axon disztális és proximális visszahúzásszerű sorrendben mozgott . Sok esetben azonban a maradványok az axonok visszahúzódásával ürültek ki. Ebben az esetben az axonszármazékok , amelyeket axoszómának nevezünk , ugyanazokat az organellákat tartalmazzák, amelyek az axonok végéhez kapcsolódó hagymákban láthatók, és általában ezen axonnövekedések közelében helyezkedtek el. Ez az elem azt jelzi, hogy az axoszómák hagymákból származnak. Továbbá, a axosomes nem ellátva elektron gazdag citoplazmában vagy mitokondriumok a megrepedt membránok , jelezve, hogy nem alakult Wallerian degeneráció.
Az 1990-es évek második felében Gal Cheichik, Isaac Meilijson és Eytan Rupin, a Tel Avivi Egyetem (Matematika és Orvostudományi Tanszék) neurobiológusok és matematikusok képesek voltak létrehozni a szinaptikus metszési folyamat matematikai modelljét . Ezt a Donald Hebb szabályán alapuló modellt két különböző funkcióval lehet leírni .
" "
- Gal Cheichik, Isaac Meilijson és Eytan Rupin, 1997.
" "
- Gal Cheichik, Isaac Meilijson és Eytan Rupin, 1997.
Az 1990-es években elvégzett tanulmányok szerint a metszés hatása szerepet játszhat az infantilis amnézia kialakulásában . A 2000-es évek elején azonban ezt a hipotézist nem tartották meggyőzőnek. Két elem érvényteleníti a metszés következményeit az ilyen típusú memóriavesztésben: egyrészt a szinaptikus metszést túlélő amnézia nyomai továbbra is aktívak maradnak; másrészt Ribot törvénye , amely elmélet azt állítja, hogy "a legstabilabb emlékek a legrégibbek" , nem támasztja alá ezt a posztulátumot.
Több súlyos mentális betegség, különösen a skizofrénia , serdülőkorban kezdődik . Az egyik magyarázó hipotézis a szinaptikus metszés diszfunkciója, amely négyszer nagyobb lenne a skizofréniában szenvedő fiataloknál, mint a pszichiátriai rendellenességekkel nem rendelkező fiataloknál. Pontosabban, ennek a pszichiátriai rendellenességnek a megjelenése a túlzott eliminációban keletkezhet, amely főleg a cortico-corticalis és a cortico-subcorticalis szinapszisokat, a prefrontális kéregben elhelyezkedő kapcsolatokat érinti, mint például a glutamaterg típusú szinaptikus kapcsolatait . A szinapszisok ezen csoportját illetően a felesleges metszés az idegsejtek gerjesztésének gyengülését eredményezné. Ezen túlmenően, ez a felesleges metszés, amely gyermekkorban is megjelenhet, csökkentve a mielinizáció folyamatát, befolyásolhatja az agy kapcsolatát .
A skizofréniával ellentétben a metszés hiánya vagy gyengülése, ami a szinaptikus kapcsolatok túlzott bőségét idézi elő, autista rendellenességeket okozhat . Úgy tűnik, hogy az mTOR enzim molekula túlzott aktiválása okozza ezt a hiányt a szinaptikus eliminációban. Ez a diszfunkció korrelálhat az MEF2 transzmissziós molekula deaktiválásával is .
: a cikk forrásaként használt dokumentum.