Посещений:
ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ДЕНДРИТАМИ НЕЙРОТРАНСМИТТЕРОВ



Механизмы и Роль

Dendritic Release of Neurotransmitters
Mike Ludwig, David Apps,John Menzies, Jyoti C. Patel,Margaret E. Rice
Comprehensive Physiol.



Дендриты многих популяций нейронов передают информацию обратно через свои синаптические сигналы путем высвобождения нейроактивных субстанций (89, 99, 128). В самом деле модуляций функции нейронов с помощью высвобождения дендритами трансмиттеров является общераспространенным феноменом и не является специфической или для локальных частей головного мозга или определенного подтипа сигнальных молекул. Кроме того, проникающие через мембрану субстанции, такие как carbon monoxide, arachidonic acid и nitric oxide, классические трансмиттеры, могут высвобождаться с дендритов, чтобы передавать сигналы ретроградным способом. Напр., высвобождение телом и дендритами нейрона dopamine, который является примером низкомолекулярного трансмиттера, модулирует КПД нейронной сети и возбудимость дофаминовых нейронов среднего мозга. Кроме того, аминокислоты GABA и glutamate действуют как ретроградные трансмиттеры в обонятельных луковицах, гиппокампе, коре и мозжечке (90, 119, 226, 266). Однако, наиболее многочисленным классом сигнальных молекул в головном мозге являются нейропептиды и имеется достаточно доказательств высвобождения их дендритами. Имеются убедительные доказательства высвобождения телами и дендритами клеток нейрогипофиза пептидов, oxytocin и vasopressin, в гипоталамус (111, 116, 120, 127), которые являются примером пептидов. Имеются также сообщения о подобном обрезе высвобождения и др. пептидов, включая dynorphin, enkephalin и cholecystokinin (CCK) (19, 46, 216).

The Hypothalamo-neurohypophysial Peptide System


Oxytocin и vasopressin (антидиуретический гормон) проникают в кровообращение в результате высвобождения с помощью экзоцитоза из magnocellular neurosecretory cells (MCNs), компонентов гипоталамических supraoptic (SON) и paraventricular ядер (PVN), которые проецируются в заднюю часть гипофиза. Oxytocin необходим для секреции молока и вызывает сокращения матки и участвует также в родах и лактации (4, 19, 81, 114, 202), тогда как vasopressin участвует в регуляции экскреции воды и кровяного давления. Кроме того, оба пептида оказывают влияние на поведение. Оба высвобождаются не только в аксональных синапсах. но и также из тел и дендритов MCNs (99, 111, 116, 120, 127, 128, 155, 168). Клеточные тела и дендриты MCNs образуют плотно упакованные и гомогенные ядрышки, тогда как их аксоны, проецируются в заднюю часть гипофиза. Поскольку не существует гематоэнцефалического барьера в задней части гипофиза, то секретируемые пептиды из аксонов стремительно попадают в кровоток. Дендриты MCNs взрослых крыс являются гладкими (aspiny), толстыми, и расширенными, с немногими ответвлениями, и часто ассоциированы в пучки (147, 221). Большинство нейропептидов, экспрессируемых в SON и PVN хранится в дендритах MCN. Высвобождение дендритами в этих регионах может быть изучено с помощью двухтактной (push-pull) перфузии или микродиализа (150, 256). Важно, что эти методы могут быть использованы для высвобождения дендритами независимо от высвобождения аксонами, поскольку повторное вступление высвобожденных на периферии пептидов в головной мозг предупреждается гематоэнцефалическим барьером.
Хотя SON содержит только MCNs, PVN содержит MCNs и многие др. морфологически и функционально отличающиеся типы клеток. Parvocellular нейросекреторные нейроны осуществляют аксональный контакт с медианным возвышением (eminence) и они высвобождают нацеленные на гипофиз гормоны, которые регулируют функции передней доли гипофиза и основную гипоталамо-гипофизарную ось. Parvocellular преавтономные нейроны модулируют симпатические и парасимпатические истоки к нескольким органам, включая сердце, периферическую сосудистую сеть и почки (31, 223, 262), посредством длинных нисходящих проекций в симпатические и парасимпатические центры ствола головного мозга и спинного мозга. Некоторые нейроны внутри PVN также проецируются в др. краевые (limbic) области, включая центральную amygdala, и , как было недавно установлено, модулируют создание условий страха (103).

The Nigrostriatal and Mesolimbic Dopamine Systems


Др. система трансмиттеров, базируется на высвобождении телами и дендритами dopamine, который высвобождается дофаминовыми нейронами среднего мозга. Dopamine нейроны из substantia nigra pars compacta (SNc) образуют nigrostriatal допаминовый путь, который важен для моторного обучения и моторного контроля. В самом деле, потеря дофамина в этой системе нарушает выход нейронов из базального ганглия (76), приводя к моторным нарушениям, которые характеризуют болезнь Паркинсона (1, 24, 134, 251). Кроме того, дофамин из этого пути и из ventral tegmental area (VTA), также в среднем мозге, влияет на ряд др. функций головного мозга, включая подкрепление условных рефлексов, эмоции, познавательную деятельность и память (25, 181, 193).
Dopamine нейроны в SNc и VTA отсылают проекции аксонов, которые плотно иннервируют striatal комплекс в переднем мозге (139); проекции nigrostriatal дофаминового пути из SNc преимущественно нацелены на дорсальный striatum (caudate-putamen, CPu), тогда как проекции mesolimbic дофаминового пути из VTA преимущественно идут в ventral striatum (nucleus accumbens, NAc). Кроме того, VTA dopamine нейроны проецируются посредством mesocortical пути в префронтальный кортекс, гиппокамп и amygdala (80, 246).
Подобно всем catecholamines синтез дофамина происходит из аминокислотного предшественника L-tyrosine, который транспортируется через гематоэнцефалический барьер в дофаминовые нейроны. Тирозин превращается в L-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) с помощью скорость ограничивающего энзима tyrosine hydroxylase (TH), а затем в dopamine с помощью L-aromatic аминокислотной декарбоксилазы (Fig. 1B). Очевидно, что в отличие от большинства трансмиттеров и нейромодуляторов, которые синтезируются в теле клетки и транспортируются дистально в сайты высвобождения в аксонах, экспрессия белка TH в дофаминовых нейронах может обнаруживаться как по всему телу клетки, в дендритах и аксонах (254). Более того, регуляция активности TH путем фосфорилирования происходит как в теле и дендритах, так и в терминальных областях, указывая тем самым, что dopamine синтезируется локально для высвобождения телом и дендритами или аксонами (209).



Figure 1. Comparison of the mechanisms of somatodendritic release of oxytocin and vasopressin in the hypothalamus (A) and dopamine in the substantia nigra (B). (A) Neuropeptides are synthesized and packaged in the soma and stored in dendrites in a reserve pool (RP) containing large numbers of LDCVs in dendrites. Depolarization-induced Ca2+ entry through VGCCs stimulates peptide release by exocytosis of LDCVs. This requires the depolymerization of F-actin to G-actin. Furthermore, the stimulation of G-protein coupled receptors, such as the oxytocin receptor, stimulates the mobilization of Ca2+ from IP3-dependent intracellular stores and an increase in both the number of LDCVs and N-type VGCCs at the plasma membrane, thus priming the exocytosis machinery for subsequent activity-dependent release. Although some members of the SNARE family are detectable by immunocytochemistry, there appears to be a lack of VAMP, SNAP-25 and synaptotagmin-1 in the somata-dendrites, with their function presumably being replaced by other SNARE proteins. TG, thapsigargin; CPA, cyclopiazonic acid. (B). Features of somatodendritic dopamine release. Dopamine is synthesized in the intracellular compartment from tyrosine via TH. This process generates L-DOPA, which is converted to dopamine by aromatic amino acid decarboxylase (AADC). Synthesized dopamine is stored in tubulovesicular structures that are part of the ER; these structures are the primary site of VMAT2, the vesicular monoamine transporter expressed in dopamine soma and proximal dendrites. Dopamine dendrites contain few vesicles, but those present appear to bud from tubulovesicles. Somatodendritic dopamine release is action potential dependent. Release also requires Ca2+ entry via VGCCs, but is amplified by both RyRs and metabotropic glutamate receptor (mGluR)-dependent activation of IP3Rs that release Ca2+ from intracellular ER stores. Immunohistochemical evidence suggests that a novel constellation of SNARE proteins may be involved in the release, including SNAP-25, VAMP2, and syntaxin3b. Release from dendrites has also been suggested to involved reversal of the DAT. Released dopamine is taken up and recycled via the DAT.

Высвобождение dopamine из сайтов аксона хорошо известно. Однако, высвобождение dopamine телом и дендритами дофаминовыми нейронами среднего мозга в SNc и VTA остается не до конца понятным (9, 10, 17, 26, 29, 32, 40, 69, 74, 169, 184, 196, 198). Поскольку тела и дендриты перемешаны в этих регионах, их индивидуальные вклады в высвобождение dopamine невозможно различить, поэтому используется термин "somatodendritic" для описания высвобождения дофамина вне аксонов в SNc и VTA. Механистические исследования соматодендритного высвобождения dopamine были проведены прежде всего в SNc, где высвобождение dopamine исключительно соматодендритное (95, 249). Напротив, VTA имеет коллатерали от его собственных аксонов, а также от тех, что возникают в SNc (7, 56).

Experimental Methods Used to Study Somatodendritic Release


Oxytocin and vasopressin


Dopamine


Vasopressin and Oxytocin Are Released by Exocytosis


Vasopressin и oxytocin хранятся и высвобождаются из large dense-cored vesicles (LDCVs). Классическим морфологическим доказательством соматодендритного высвобождения являются ЭМ исследования нейронов гипоталамуса, которые обнаружили LDCVs внутри дендритов и тел MCNs, а также профили omega-образных слияний в плазматической мембране (189). Экзоцитоз из дендритов oxytocin и vasopressin нейронов также был продемонстрирован с помощью обработки ткани гипоталамуса наниновой кислотой, чтобы фиксировать гранулы с exocytosed пептидами (155, 157, 189). Поскольку пептиды, высвобождаемые из MCNs не ограничены каким-либо определенным регионом плазматической мембраны (157, 189), то регуляция экзоцитоза может происходить просто за счет контроля избытка пузырьков в местах слияний (151). В классических нейроэндокринных клетках контроль такого типа осуществляется посредством цитоскелетных элементов и такой контроль также может происходить в MCNs, т.к. их клеточные тела содержат актиновую сеть проксимальнее плазматической мембраны, обычно обозначаемую как кортикальный F-actin. В нейроэндокринных клетках такая сеть окружает секреторные пузырьки.
Актиновая сеть подвергается быстрой, преходящей и обратимой деполимеризации во время экзоцитоза и F-actin истощается вблизи зоны слияния. Кортикальная сеть F-actin, как полагают, ограничивает перемещения секреторных пузырьков зоной слияния на плазматической мембране (57, 245). Субкортикальные регионы тела и дендритов в MCNs содержат полимеризованный F-actin (238, 248), который быстро и обратимо деполимеризуется в G-actin, когда стимулируется секреция и лекарства, которые деполимеризуют F-actin стимулируют высвобождение дендритами пептидов. Т.о., индукция высвобождения пептидов из дендритов нуждается в деполимеризации F-actin (Fig. 1A) (238).
Однако, хотя кортикальный F-actin исторически рассматривался как барьер, ограничивающий перемещения LDCVs к плазматической мембране, эта роль также возможна при экзоцитозе, или путем предоставления "треков" для перемещения LDCV в зоны слияния, или путем ограничения некоторых компонентов аппарата слияния. Можно предположить, что во время секреции F-actin сеть не просто разбирается, а реорганизуется, чтобы сделать возможным доступ LDCVs к местам слияния и обеспечивает или собирает молекулярный аппарат, необходимый для слияния мембран и экзоцитоза (57). В MCNs, ремоделирование F-actin, по-видимому, используется для трафика функционально зрелых, готовых к опорожнению пузырьков к местам слияний и это может быть критическим для дифференциального контроля высвобождения из разных частей клетки. Однако, в противоположность высвобождению из нейрональных синапсов, слияние пузырьков в теле/дендритах и окончаниях аксонов в MCNs , по-видимому, не происходит в морфологически определенных зонах слияния (157). Итак, актиновые филаменты м. выполнять несколько ролей в экзоцитозе, включая участие в трафике LDCV и их закреплении, действуя как барьер для слияния и транспортируя аппарат для слияния мембран (238).
Экзоцитоз пузырьков - это многоступенчатый процесс, с привлечением сети из взаимодействующих белков в разных местах (Fig. 1A), включая сами LDCVs и в активных зонах плазматических мембран, где происходит слияние (229). Экзоцитоз как LDCVs, так и синаптических пузырьков использует soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment receptor (SNARE) комплекс, который открывает пору слияния и катализирует слияние мембраны пузырьков с плазматической мембраной, приводя к высвобождению его груза во внеклеточное пространство. Имеются также доказательства участия SNARE белков в в высвобождении дендритами, большая часть данных получена в работах с дофаминовыми клетками в субстанции nigra (12, 180, 254) (see later). Исследование др. регионов головного мозга, включая гиппокамп (132, 133), обонятельные луковицы (140), мозжечок (59), и неокортекс (266) также показало потребность в вариантах SNARE при высвобождении трансмиттеров дендритами.
Clostridial нейротоксины после соединения с периферическими нейронами подвергаются аксональному транспорту в противоположном направлении, они являются предшественниками zinc proteinases, которые специфически расщепляют компоненты комплекса SNARE. Tetanus toxin (TeTX) расщепляет VAMP-2 (synaptobrevin 2, внутренне присущий белковый компонент LDCV мембран и комплекса SNARE). Чувствительность высвобождения телом и дендритами к TeTX была описана на изолированных MCNs (53), подтверждено участие VAMP-2 в высвобождении дендритами oxytocin и vasopressin, а также в высвобождении трансмиттеров в синапсах. Хотя белки SNARE уже были идентифицированы в окончаниях в задней доле гипофиза (96, 263), исследования по иммунофлюоресценции оказались неспособны определить стержневые белки, включая VAMP-2 и SNAP-25, в телах и дендритах SON. Высвобождение пептидов телами и дендритами из MCNs, т.о., по-видимому, происходит без всяческих приспособлений (machinery), которые необходимы для регулируемого экзоцитоза в др. типах клеток (235), но вполне возможно, что функции отсутствующих белковых компонентов выполняются др. вариантами.

Does Somatodendritic Dopamine Release Occur by Exocytosis?


Во-первых, dopamine аксоны в striatum содержат обильные кластеры пузырьков вблизи плазматической мембраны в предполагаемых местах высвобождения (171, 185). Хотя ранние анатомические исследования также наблюдали кластеры пузырьков в dopamine телах и дендритах SNc (253), последующие исследования, включая те с использованием мечения иммунозолотом VMAT2 профилей, привели к заключению SNc dopamine тела обычно лишены таких кластеров (170), как это наблюдается в dopamine дендритах, распространяющихся в substantia nigra pars reticulata (SNr) (79, 249, 253). Тем не менее доказательства экзоцитоза получены в сообщениях о квантовых высвобождениях dopamine из тел SNc, подсчитанный размер кванта составляет 14000 молекул на пузырёк (91), это той же самой величины, что наблюдается в chromaffin гранулах надпочечника (117) и аксональных расширениях (varicosities) в культуре dopamine нейронов (188, 219).
Во-вторых, хотя некоторые dopamine хранятся в небольших electron-lucent vesicles (ELVs) и в LDCVs (170), dopamine в телах SNc и VTA, по-видимому, в основном хранится в "tubulovesicles," мешочках гладкого эндоплазматического ретикулума (smooth endoplasmic reticulum (SER)), которые экспрессируют VMAT2 (Fig. 1B) (170, 253). К тому же VMAT2 может быть визуализован на наружных мембранах органелл, которые могут участвовать в рециклинге везикулярных мембранных белков (170). Высвобождается ли dopamine непосредственно из tubulovesicles или они могут быстро по потребности становиться источником пузырьков для высвобождения, пока неизвестно. Ингибиторы VMAT2 блокируют высвобождение dopamine, подтверждая важность потребления и хранения dopamine, но не его участие в экзоцитозе per se. В-третьих, хотя dopamine синапсы между дендритами присутствуют в SNc и VTA, они довольно редки (79, 170, 249, 253), и действительно отсутствуют в дофаминовых дендритах богатых в SNr (79).
Исследования с использованием botulinum toxins, чтобы специфически воздействовать на SNARE белки, подтвердили, что высвобождение телами и дендритами dopamine происходит прежде всего с помощью экзоцитоза (13, 70, 180). Однако, иммуногистохимические исследования указывают на то, что TH-позитивные тела и дендриты в substantia nigra лишены некоторых типичных, характерных для пузырьков мембранных белков, включая synaptophysin, sv2a и sv2b изоформы synaptic vesicle protein 2, и Ca2+-sensors synaptotagmin 1 и 2 (254). Эти находки согласуются с относительным отсутствием обычных синаптических пузырьков в dopamine нейронах. Более того, некоторые конвенционные SNARE белки участвуют в закреплении пузырьков, включая везикулярный мембранный белок VAMP-1 (synaptobrevin 1) и плазматический мембранный белок syntaxin 1a, также отсутствуют. С другой стороны, SNAP-25 и некоторые не конвенционные SNARE белковые изоформы, включая VAMP-2 и плазматической мембраны белок syntaxin 3b, экспрессируются по всему dopamine телц нейрона (143, 254).
В целом молекулярная организация, связанная с высвобождением dopamine в SNc, по-видимому, заметно отличается от таковой при высвобождении обычных синаптических пузырьков, при этом SNARE триада имеет необычную композицию из VAMP-2, SNAP25 и syntaxin 3b (Fig. 1B). Важно, что хотя dopamine тела и дендриты в SNc лишены synaptotagmin 1 и 2 (143, 254), которые являются изоформами низкого сродства везикулярных Ca2+ сенсоров, обнаруживаемых в быстрых синапсах (259), они имеют две изоформы с более высоким сродством к Ca2+, а именно, synaptotagmin 4 и 7 (143), которые могут играть роль в высокой чувствительности к Ca2+ при высвобождении телами и дендритами (28). Необходимо заметить, что dopamine нейроны экспрессируют мРНК для synaptotagmin 1, предположительно из-за того, что synaptotagmin 1 участвует в высвобождении dopamine аксонами в striatum. В самом деле, в соответствии с мнением, что synaptotagmin 4 и 7, но не synaptotagmin 1, участвуют в в высвобождении dopamine телами и дендритами, подавление с помощью siRNA synaptotagmin 4 aи 7, но не synaptotagmin 1, снижает высвобождение dopamine культивируемыми нейронами среднего мозга (143).
Несмотря на присутствие компонентов комплекса SNARE (syntaxin 3b, SNAP-25 and VAMP2) по всему dopamine телу и дендритам, уровни VMAT2 и V-ATPase, vacuolar-type H+-translocating ATPase, которая генерирует трансмембранный потенциала протонов, необходим градиент активного потребления amine посредством VMAT2, снижающийся от тела к кончикам дендритов dopamine нейронов (254). Это подтверждает, что механизмы высвобождения и хранения dopamine могут отличаться в теле и проксимальных частях дендритов в SNc и в дистальных частях дендритов в SNr. Регуляция высвобождения dopamine с помощью внутриклеточных хранилищ Ca2+ также может отличаться между этими местами: dopamine дендриты в SNr имеют более низкие уровни sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA), которая транслоцирует цитозольный Ca2+ в ER,, а также низкие уровни регуляторных inositol 1,4,5-triphosphate рецепторов (IP3Rs) и ryanodine рецепторов (RyRs) в ER (184).
Эти данные вместе с ограниченным количеством dendro-dendritic синапсов и небольшой популяцией "классических" LDCVs (79, 145, 170, 249, 253), подтверждают, что некоторое somatodendritic высвобождение dopamine может осуществляться с помощью механизмов, иных, чем экзоцитоз, включая высвобождение из цитоплазматического пула с помощью обратного транспорта через плазматическую мембрану DAT (60, 63, 79, 170, 177). Цитоплазматические концентрации dopamine обычно слишком низкие для полного изменения DAT, за исключением усиленного смещения dopamine из пузырьков с помощью фармакологических агентов, таких как amphetamine (118, 230). Однако, хранилища dopamine в tubulovesicles открывают возможность, что истечение dopamine из этих органелл может повышать существенно цитоплазматическую концентрацию dopamine для DAT reversal и высвобождать его во dhytrktnjxyjt пространство (Fig. 1B). Принимая во внимание, что вызванное увеличение в [DA]o обычно скорее усиливается, чем снижается, с помощью ингибиторов DAT (10, 29, 40), это не может быть первичным механизмом высвобождения в SNc. Более того, высвобождение с помощью прямого транспорта через плазматическую мембрану не может объяснить наблюдаемое квантовое высвобождение трансмиттера в SNc , записанное с помощью amperometry (91). Напротив, высвобождение из дистальных частей дендритов в SNr устраняется ингибиторами DAT, когда стимулируется с помощью высвобождения глутамата из афферентных волокон subthalamic ядра (63), и было предположено, что происходит активация metabotropic glutamate receptors (mGluR1), с последующим PKC-индуцированным поворотом DAT (63, 177).

Ca2+ Dependence of Somatodendritic Release


Somatodendritic oxytocin and vasopressin release


Как показано выше, высвобождение нейротрансмиттеров из пресинаптических окончаний и нейропептидов из нейроэндокринных клеток происходит с помощью повсеместного процесса Ca2+-зависимого экзоцитоза. Подобно высвобождению oxytocin и vasopressin их окончаний аксонов в нейрогипофизе (65), высвобождение дендритами этих нейропептидов зависит от локального увеличения внутриклеточной концентрации свободного Ca2+ ([Ca2+]i) (53, 167, 215).
В классических синапсах паттерны высвобождения нейротрансмиттеров зависят критически от пространственной динамики [Ca2+]i промежуточных образований (142), которые сами по себе предопределяются источником Ca2+ и его близостью к аппарату высвобождения, а также различными внутриклеточными механизмами буфферизации Ca2+, которые контролируют амплитуду и продолжительность [Ca2+]i transients. Ca2+, который запускает высвобождение дендритами oxytocin и vasopressin из MCNs, может происходить из ряда внеклеточных и внутриклеточных источников (Fig. 1A).

Ca2+ channels


Напряжением 3управляемые Ca2+ каналы (VGCCs) (65, 247) ответственны за вступление большей части внеклеточного Ca2+, который запускает высвобождение дендритами нейропептидов. MCNs экспрессируют несколько типов VGCCs (67). Несмотря на тот факт, что ток Ca2+, переносимый с помощью N-типа каналов, мал по сравнению с током через др. типы VGCC или в сравнении со всем током в клетке Ca2+ в телах MCNs (94, 236), N-типа каналы, по-видимому, особенно важны для высвобождения дендритами, т.к. высвобождение oxytocin из SONs наиболее чувствительно к блокаде N-типа каналов, N-типа каналы в somatodendritic и аксональном компартментах могут быть открыты в ответ на деполяризацию вызванную потенциалами действия (65). Однако, некоторые сигнальные молекулы, включая oxytocin и vasopressin, могут запускать высвобождение дендритами пептидов без увеличения электрической активности нейронов, посредством их рецепторов в oxytocin и vasopressin нейронах (71). Эти пептиды де2йствуют на им соотв. рецепторы, чтобы продуцировать специфичное для типа клеток увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+, которая может способствовать высвобождению трансмиттера. Vasopressin-зависимая секреция vasopressin зависит от притока Ca2+ через VGCCs, особенно L-, N-, и T-типа (205). Сходным образом, вступление Ca2+ осуществляется в основном через L- и N-типа каналы, является также триггером для somatodendritic высвобождения др. трансмиттеров, включая dynorphin (216), dopamine (102, 143), serotonin (241) и pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP) (215).

NMDA receptors


Внеклеточный кальций может также вступать в нейроны посредством проницаемых для Ca2+ ионотропных глютаматовых рецепторов, включая N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs). В MCNs, рецепторы NMDARs влияют на общую возбудимость MCN и участвуют также в контроле взрывообразного возбуждение (burst-firing) этих клеток, что оптимизирует высвобождение гормонов с нейрогипофизарных окончаний (66, 86, 162, 173). Открытие NMDARs приводит к вступлению Ca2+ и значительному увеличению в дендритах [Ca2+]i в MCNs (218, 222), с последующим высвобождением дендритами oxytocin (51) и vasopressin (218). В соответствии с этим функциональные NMDARs с уникальными молекулярными и функциональными свойствами обнаруживаются вне синапсов, а также на постсинаптических местах (113, 207) в MCNs. Находящиеся вне синапсов NMDARs оказываются также связаны с др. зависящими от Ca2+ сигнальными механизмами, включая напряжением контролируемые K+ каналы и ионотропные рецепторы gamma-aminobutyric acid (GABAA) (162, 186, 187), в отличие от синаптических NMDARs. Однако, неясно, действительно ли высвобождение дендритами нейропептидов по-иному регулируется синаптическими и не синаптическими NMDARs.

Intracellular Ca2+ stores


Как запускаемое проникновением внеклеточного Ca2+, высвобождение нейропептидов дендритами может быть индуцировано высвобождением Ca2+ из внутриклеточных хранилищ (Fig. 1A). Примером этого является аутокринное высвобождение oxytocin, при этом связывание oxytocin со своими рецепторами в oxytocin нейронах вызывает высвобождение Ca2+ из его основного внутриклеточного хранилища в эндоплазматическом ретикулуме (ER) (107). Увеличение [Ca2+]i запускает высвобождение oxytocin из дендритов без индукции высвобождения с нервных окончаний или влияния на возбуждение (firing) нейронов (129). Посредством этого аутокринного механизма, высвобождение дендритами пептидов, однажды запущенное, может становиться само-поддерживающимся и длиться долго (129). Др. агенты, которые мобилизуют внутриклеточный Ca2+ могут также вызывать высвобождение дендритами нейропептидов. Одним из примеров является thapsigargin, ингибитор SERCA, который может подавлять потребление Ca2+ в ER, увеличивая [Ca2+] в цитоплазме и тем самым запуская Ca2+-индуцированное высвобождение Ca2+ из ER, посредством RyRs (121, 129, 237).

Ca2+ buffering mechanisms


Механизмы буферизации внутриклеточного Ca2+ влияют на амплитуду и продолжительность цитоплазматических временных образований Ca2+. Разные механизмы буферизации Ca2+ и механизмы очистки оперируют в MCNs, включая Ca2+-транслоцирующие ATPases в ER и на плазматических мембранах, митохондриальный Ca2+-uniporter (221) и Ca2+-связывающие белки, такие как calbindin и calretinin (50, 148). Действие этих буферных и транспортных систем снижают промежуточные образования [Ca2+]i в MCNs (50, 105, 214, 222), тогда как их блокада удлиняет время увеличения промежуточных образований [Ca2+]i, это сопровождается деполяризацией с помощью K+, и тем самым усиливается высвобождение телами и дендритами vasopressin (105). Интересно, что репертуар Ca2+-гомеостатических систем отличается между соматодендритным и аксональным компартментами в MCNs (50, 105), ещё больше подтверждая независимую регуляцию высвобождения нейропептидов в этих двух компартментах. i

Ca2+-dependent priming of dendritic release


Поскольку запуск финальной ступени слияния мембран в экзоцитозе, увеличение внутриклеточного свободного [Ca2+] также активирует везикулярные хранилища пептидов в дендритах, деля их готовыми 'release-ready' и доступными для последующего Ca2+-зависимого слияния (Fig. 1A) (129). Максимум активности oxytocin или vasopressin нейронов in vivo сам по себе недостаточен, чтобы запустить высвобождение пептидов дендритами, хотя хранилища уже заправлены и готовы, но агенты, которые истощают внутриклеточные хранилища Ca2+, такие как thapsigargin или cyclopiazonic acid (SERCA ингибиторы), или некоторые пептиды, включая сам oxytocin и alpha melanocyte-stimulating hormone (α-MSH), постоянно прямо индуцируют высвобождение дендритами (129, 204). Возможно, что некий сигнал, который мобилизует Ca2+ из внутриклеточных хранилищ, может вызывать секрецию дендритами. Более того, воздействие агенов, которые мобилизуют Ca2+ из внутриклеточных хранилищ, сильно стимулируют высвобождение пептидов, вызываемое многими стимулами, такими как электрическая или осмотическая стимуляция и K+-индуцированная деполяризация. In vitro, такая готовность (priming) сохраняется, по крайней мере, 90 мин. Во время подготовки (priming), пузырьки, хранящие нейропептиды, становятся компетентными отвечать на пусковой механизм слияния, т.е. priming увеличивает размер секреторного пула, доступный для быстрого высвобождения в ответ на пусковой механизм в клетке мишени. Один из механизмов, с помощью которого пузырьки в MCNs покидают резервный пул и вступают в пул готовности к высвобождению (237), может ремоделироваться актином. Priming также использует рекрутирование VGCCs на плазматическую мембрану, подтверждая, что стимулы, которые увеличивают секреторную реакцию в течение относительного короткого времени (30-90 мин), может действовать путем стимулирования рекрутирования N-типа Ca2+ каналов, чтобы высвободить сайты, где они усиливают секреторную реакцию после деполяризации (236). Такая подготовка к экзоцитозу, по-видимому, не обязательна ни для транскрипции генов, ни для синтеза белка de novo (234).

Somatodendritic dopamine release


Geffen с колл. предположили, что по способу, сходному с высвобождением dopamine аксонами, высвобождение dopamine в SNc происходит с помощью экзоцитоза из пузырьков хранилищ (74). Однако, точный механизм оставался неполным. Хотя тела и дендриты SNc dopamine нейронов лишены обычных синаптических структур, высвобождение из соматодендритного компартмента происходит с помощью Ca2+-зависимого экзоцитоза. Более того, соматодендритное высвобождение dopamine нуждается в Na+-зависимом потенциале действия (29, 210), и этому препятствуют ингибиторы VMAT2 (10, 83, 198). Однако, эффект VMAT2 ингибиторов в отдельности не подтверждает, что высвобождение dopamine происходит из обычных пузырьков хранилищ, т.к. VMAT2 также экспрессируется др. субклеточными органеллами в dopamine нейронах (170).

Ca2+ entry


Потребность во внеклеточном Ca2+ в соматодендритном высвобождении dopamine становится предметом споров. Хотя соматодендритному высвобождению мешает удаление внеклеточного Ca2+ (in Ca2+-free media containing the Ca2+-chelator EGTA) или блокирование Ca2+ каналов в плазматической мембране с помощью Cd2+ (28, 184, 196, 198), высвобождение все-таки может происходить при низких (submillimolar) внеклеточных концентрациях Ca2+ ([Ca2+]o), это не вызывает заметного высвобождения аксонами dopamine, по крайней мере, в SNc морских свинок. В самом деле, в исследованиях с использованием FCV для обнаружения одиночными импульсами вызываемого увеличения [DA]o в среднем мозге и striatal морских свинок (28), [Ca2+]o, необходимый для высвобождения на половине максимума (EC50), заметно ниже в SNc (0.3 mmol/L), чем в CPu (2.3 mmol/L); сходные различия наблюдаются в VTA по сравнению с NAc shell. Необходимо отметить, что, хотя эти исследования проведены в присутствии антагонистов glutamate и GABA рецепторов, вполне возможно, что значения EC50 для зависимости от Ca2+ высвобождения striatal dopamine может испытывать влияние со стороны мощной регуляции посредством действия ACh на nAChRs. Однако, когда nAChRs блокированы, то EC50 для зависимости от кальция в CPu очень сходны (1.9 mmol/L) (18). Более того, в отличие от striatum, высвобождение dopamine аксонами устранено с помощью коктейля из блокаторов VGCC, то саматодендритное высвобождение dopamine в SNc сохраняется в присутствии этих блокаторов (11, 14, 27, 29, 60, 70, 85). Резистентность высвобождения к VGCC блокаторам преимущественно отражает неполноту блокады этих каналов, вместе с минимальной цитоплазматической концентрацией Ca2+, необходимой для запуска экзоцитоза посредством высокой чувствительности к Ca2+-изоформ synaptotagmin, участвующих в слиянии. Соматодендритное высвобождение dopamine, следовательно, лишь незначительно зависит от поступления [Ca2+]o и Ca2+. Интересно, что зависимость от [Ca2+]o соматодендритного высвобождения dopamine, описывается более строгой у крыс и мышей, чем у морских свинок (38, 69).
Какие VGCCs необходимы для участия Ca2+ в соматодендритном высвобождении dopamine? N- и P/Q-типа, но не L-типа, каналы, по-видимому, участвуют в базовом высвобождении телами и дендритами dopamine, определено с помощью RIA в мезэнцефалических культурах (143). L- и T-типа каналы, но не N- или P/Q-типа каналы участвуют в K+-вызываемом высвобождении dopamine в одних и тех же препаратах (60), также, как и K+-индуцированное высвобождение dopamine, определяемое с помощью amperometry в диссоциированных dopamine клетках (101). Следовательно, VGCC типы участвуют в обеспечении вступления Ca2+, чтобы запустить соматодендритное высвобождение, зависимое от экспериментальных условий, включая изученные виды, тип приготовления и используемую процедуру стимуляции. Все эти факторы вносят вклад в затруднительность выявления точных механизмов соматодендритного высвобождения и регуляции dopamine.

Intracellular Ca2+ stores


Способность обнаруживать индукцию высвобождения телами и дендритами dopamine практически с нуля [Ca2+]o открывает возможность, что могут быть механизмы, с помощью которых небольшое увеличение [Ca2+]i умножается. Очевидным механизмом является Ca2+-индуцируемое высвобождение Ca2+ из внутриклеточных ER хранилищ (129, 184, 242). В нейронах ER формирует крупную сеть, распространяющуюся от тела к дендритам и дендритным шипам и к аксонам и к пресинаптическим сайтам высвобождения (244). В SNc dopamine нейронах эта система распространяет высвобождение Ca2+ из ER хранилищ в теле в дендриты (34).
Иммуногистохимические исследования идентифицировали ER мембранные белки, ассоциированные с мобилизацией Ca2+ из ER хранилищ в телах и проксимальных частях дендритов SNc, включая SERCA-2 и inositol tris-phosphate receptors (IP3R) и RyRs (184), которые являются лигандами управляемыми Ca2+ каналами. Каждый из них облегчает освобождение телами и дендритами dopamine, вызываемое в SNc с помощью локальной пульсовой стимуляции, обнаруживаемое с помощью FCV (184). В dopamine нейронах, RyRs собираются в кластеры, которые тесно сближены с плазматической мембраной, расположение, которое максимально активизирует их активацию со вступлением внеклеточного Ca2+ посредством VGCCs (Fig. 1B). Это делает возможным умножение соматодендритного высвобождения dopamine физиологически с помощью [Ca2+]o. Такое умножение, однако, необязательно, если поступление Ca2+ достаточно большое, как это происходит при высоких уровнях [Ca2+]o. Напротив, облегчение выделения SNc dopamine с помощью IP3Rs не обязательно нуждается в поступлении Ca2+ посредством VGCCs, но может происходить посредством нижестоящих metabotropic рецепторов, включая mGluR1 (Fig. 1B) (184).
Роль внутриклеточных хранилищ Ca2+ в умножении высвобождения соматодендритами dopamine сложна и также может варьировать с изменением экспериментальных условий и используемых видов (38, 69, 143). Более того, вносят ли вклад внутриклеточные хранилища Ca2+ в высвобождение в VTA, пока неизвестно. Экзоцитоз использует несколько зависимых от Ca2+ ступеней, при этом белки обладают разной чувствительностью к Ca2+. Финальное событие слияния может нуждаться в очень быстром подъеме [Ca2+]i вблизи секреторных пузырьков, чтобы запустить высвобождение, тогда как более медленное, менее локальное увеличение [Ca2+]i д. усиливать подготовку секреторных пузырьков, как это наблюдается при высвобождении oxytocin из дендритов нейронов гипоталамуса (129). Хотя большинство доказательств подтверждает, что высвобождение dopamine в SN или VTA не подготавливается с помощью SERCA ингибитора thapsigargin, возможно ли участие др. внутриклеточных хранилищ Ca2+ , остается неизвестным (12). Является ли дифференицальная экспрессия RyR в местах, примыкающих к плазматической мембране и цитоплазматическим местам IP3R отражением этих отличающихся функций, также нерешенный вопрос.

Is somatodendritic release triggered by action potentials?


Потенциалы действия обычно инициируются в соединениях между телом клетки и аксона, аксональном бугорке. В классической модели высвобождения синапсами нейротрасмиттеров, потенциал действия распространяется вдоль аксона до его окончаний, где он открывает VGCCs, вызывая слияние синаптических пузырьков в пресинаптической плазматической мембраной. Однако, потенциал действия может перемещаться в любом направлении от места инициации и в дендриты, если электрические свойства дендритов поддерживают это, это наблюдается у многих нейронов (39, 227).
Экзоцитотическое высвобождение vasopressin и oxytocin на окночаниях аксонов в задней доле гипофиза связано с электрической активностью в телах и продуцируется путем открытия VGCCs вследствие деполяризации окончаний путем вторжения потенциалов действия (65). В классических быстрых glutamatergic синапсах, доступные хранилища из малых ELVs поддерживаются с помощью рециклинга эндоцитотических мембран и быстро повторно подкисляются с помощью V-типа H+-ATPase и посторно заполняются нейротрансмиттерами вторичного активного транспорта, обеспечиваемого с помощью H+-сцепленных antiporters (190). Однако, в отличие от малых нейротрансмиттеров, нейропептиды не используются повторно и повторно не упаковываются после высвобождения - они д. синтезироваться в грубом ER и концентрироваться в LDCVs в теле клетки. По сравнению с ELVs, LDCVs нуждаются в более устойчивом увеличении [Ca2+]i, чтобы запустить экзоцитоз. Соответственно, LDCVs обнаруживают более длительный латентный период для высвобождения и нуждаются в более сильной стимуляции для экзоцитоза, напр., во взрывной электрической активности. LDCVs также отличаются от ELVs тем, что ассоциируют с вариантами synaptotagmin, сенсором Ca2+, который запускает высвобождение, которые имеют более высокое сродство к Ca2+. Соотв., он не обязателен для LDCVs, чтобы располагать вблизи мембраны Ca2+ каналы, и чтобы получать пульсовое воздействие Ca2+, достаточное, чтобы вызывать экзоцитоз, и синаптические специализации не обязательны (2, 6, 135, 136, 208).
Во многих нейронах свойства дендритных мембран поддерживают распространение потенциалов действия (227). Однако, высвобождение дендритами vasopressin и oxytocin в MCNs может происходить независимо от потенциалов действия (121, 129), хотя потенциалы действия могут распространяться в дендриты (5). Соотв., нейропептиды, высвобождаемые из дендритов, не связаны с высвобождением в окончаниях тех же самых нейронов, и отсутствие этой связи, по-видимому, является зависимым от стимулов и пептид-специфичным (127). Примером этого могут быть эффекты alpha melanocyte-stimulating hormone (α-MSH): соединение α-MSH c melanocortin 4, рецепторами на oxytocin клетках, высвобождает Ca2+ из внутриклеточных хранилищ, стимулируя высвобождение дендритами oxytocin, но ингибируя электрическую активность клеток и также подавляя высвобождение oxytocin на периферии (204). Расхождение паттернов высвобождения в дендритах и аксонах также наблюдается по эффектам повышения плазматической osmolality. Системные инъекции гипертонических растворов немедленно повышают высвобождение vasopressin из окончаний аксонов, но высвобождение дендритами vasopressin в SON начинается часом позже, когда периферическое высвобождение стихает. В этом случае имеется расхождение по времени между дендритами и окончаниями одного и того же нейрона (124).
В SNc dopamine нейронах инициальный сегмент аксона возникает из проксимальной часи дендрита скорее, чем из тела клетки; потенциалы действия возникают в дендритном древе и одиночные потенциалы действия распространяются обратно в дендриты (82). Однако, во время взрывообразного возбуждения этих нейронов и особенно когда активируются dopamine D2 рецепторы, то обратное распространение потенциалов действия не происходит (75), подтверждая, что dopamine может влиять на распространение потенциалов действия, подавляя тем самым свое собственное высвобождение из дендритов. Т.о., взрывообразное возбуждение, которое способствует высвобождению dopamine из окончаний аксонов, не обязательно способствует высвобождению из дендритов (78). Следовательно, высвобождение dopamine из дистальных частей дендритов, скорее всего, наполовину зависит от электрической активности нейрона. Высвобождение dopamine из дистальных частей дендритов, как полагают, запускается посредством локальной glutamatergic активации mGluRs (177). Интересно, что serotonin нейроны в ядре дорсального шва также обладают соматодендритным высвобождением. Потенциалы действия в этих нейронах не распространяются в обратном направлении далеко; однако, локальная активация NMDARs может приводить к тому, что высвобождение с дендритов будет происходить в отсутствие потенциалов действия (52). Это еще один пример расхождения высвобождения с дендритов моноаминов от высвобождения с аксонов, зависимого от потенциала действия.

Modulation of Somatodendritic Release by Synaptic Inputs


Vasopressin and oxytocin


Vasopressin (и у крыс, oxytocin) участвует в контроле баланса электролитов в плазме. Системные инъекции гипертонического раствора стимулируют высвобождение vasopressin и oxytocin с окончаний аксонов в нервной доле мозга и с дендритов внутри SON. Vasopressin нейроны реагируют непосредственно на осмотическое давление из их окружения (137, 176), но осмотические стимулы, воздействующие на весь организм, активируют также центральные рецепторы на клетках, которые проецируются прямо или опосредованно в SON и PVN, включая афферентные нейральные пути от рострального переднего мозга, передней трети вентрикулярного региона (AV3V). Реакция на системную осмотическую стимуляцию блокируется с помощью tetrodotoxin, который блокирует эл. напряжением управляемые Na+ каналы и путем повреждения AV3V, подтверждает, что соматодендритное высвобождение является частью каскада событий, инициируемых осмотической активацией синаптических путей скорее, чем непосредственным эффектом hyperosmolarity на MCNs (122, 123).
Афферентные пути от AV3V включают ингибирующий GABA компонент (174) и возбуждающие компоненты, опосредуемые аминокислотами и некоторыми пептидами, включая angiotensin II (92). Intracerebroventricular (icv) воздействие angiotensin повышает как системное, так и соматодендритное высвобождение vasopressin внутри SON и PVN (152). Это высвобождение не нарушается посредством retrodialysis GABA агониста muscimol в SON, а GABAAR антагонист bicuculline усиливает соматодендритное высвобождение (109), это подтверждает тоническое подавление с помощью эндогенного GABA. Более того, glutamate стимулирует зависимое от дозы высвобождение angiotensin II из изолированных фрагментов magnocellular дендритов (158) и увеличивает также соматодендритное высвобождение, когда retrodialysed в SON, тогда как кинуреновая кислота, антагонист глютамата, является ингибитором (109).
Соматодендритное высвобождение vasopressin вследствие острой осмотической стимуляции подавляется нагрузкой соли, но не потерей воды, тогда как системная реакция остается неизменной (130), подтверждая, что соматодендритное высвобождение регулируется с помощью афферентных импульсов от osmo- и baro-рецепторов. Контроль высвобождения центральных пептидов с помощью стимулов от объема и давления, также был обнаружен в исследовании геморрагий и денервации барорецепторов; концентрации vasopressin в плазме и в PVN заметно увеличивались в ответ на геморрагии (179). Геморрагиями индуцированное снижение артериального кровяного давления стимулирует секрецию vasopressin посредством подавления барорецепторов и активации хеморецепторов в аортальной дуге и каротидных телах, тогда как денервация sinoaortic барорецепторов увеличивает осмотически индуцируемое высвобождение vasopressin и oxytocin из задней доли гипофиза (159) и увеличивает также соматодендритное высвобождение vasopressin, стимулируемое прямо или с помощью периферической стимуляции гипертоническим раствором (22).
Системное высвобождение oxytocin увеличивается во время родов и лактации, параллельно с увеличением электрической активности, использующей синхронное взрывообразное возбуждение oxytocin нейронов. Этот oxytocin, но не vasopressin, высвобождается в SON и PVN в ответ на вскармливание грудью у анестезированных и находящихся в сознании лактирующих крыс (19,22). Соматодендритное высвобождение oxytocin, вызванное родами или вскармливанием, подавляется с помощью антагонистов oxytocin, введенных в SON, подтвержая рецепторами обеспечиваемую ауторегуляцию высвобождения oxytocine (163, 164).
Системная секреция oxytocin во время кормления также является предметом noradrenergic регуляции, возникающей в основном в стволе головного мозга. Сосание увеличивает как оборот noradrenaline, так и локальные уровни oxytocin внутри SON (47), phentolamine, α-adrenergic антагонист блокирует высвобождение, oxytocin в SON и PVN во время вскармливания, указывая на то, что сосание стимулирует высвобождение noradrenaline, с последующей стимуляцией соматодендритного высвобождения oxytocin посредством действия α-adrenergic рецепторов (8).
Высвобождение системных и соматодендриных пептидов контролируется также др. нейротрансмиттерами, высвобождаемыми окончаниями нервных волокон в гипоталамических ядрах. GABA и glutamate уже рассматривались. Acetylcholine также участвует в регуляции системного высвобождения vasopressin (217), и также стимулирует соматодендритное высвобождение vasopressin в гипоталамических эксплантах (исключая окончания аксонов) (138, 178). Системное и соматодендритное высвобождение oxytocin, по-видимому, регулируется с помощью noradrenaline (165), поскольку системное воздействие CCK, которая действует посредством нерва вагус, чтобы возбуждать A2 noradrenergic проекции в ствол головного мозга в magnocellular oxytocin нейронах (243), стимулирует высвобождение. CCK может также непосредственно регулировать соматодендритное высвобождение пептидов; внутри-SON введение CCK повышает уровни соматодендритного oxytocin и vasopressin (165), а также экспрессию Fos в SON нейронах (125).
мРНК рецепторов PACAP и PACAP-подобная иммунореактивность присутсвуют в SON и PVN (161), а PACAP, по-видимому, участвует в регуляции MCNs путем открытия VGCCs и увеличения цитоплазматического [Ca2+], стимулируя тем самым соматодендритное высвобождение vasopressin in vitro (215).
Высвобождение дендритами oxytocin из MCNs подавляется с помощью эндогенных опиоидов у крыс после удаления яичников и на поздних сроках беременности, хотя такое подавление не происходит во время родов (58, 163). Кроме того, у зависимых от морфина крыс, опиоидный антагонист naloxone, введенный в SON или путем системных инъекций или путем retrodialysis, увеличивает соматодендритное высвобождение oxytocin (20, 203). Это возбуждение, вызываемое отказом от морфина, также использует соматодендритный oxytocin, высвобождение которого повышается в этих условиях, тогда как icv введение антагониста oxytocin снижает это повышение (20).
Во время позднего периода беременности половые стероиды способствуют синтезу oxytocin и хранению его в дендритах MCNs (156), и стероиды, как полагают, также осуществляют прямые, быстрые, не геномные эффекты на нейроны (232).

Dopamine


Синаптические сигналы в dopamine нейроны среднего мозга приходят преимущественно посредством glutamate и GABA, при этом GABAergic сигналы доминируют в SNc, а glutamatergic сигналы доминируют в VTA (154, 197). Соотв., сетевое влияние возбуждающей или подавляющей регуляции dopamine нейронов отличается между SNc и VTA. На ex vivo срезах среднего мозга соматодендритное высвобождение dopamine, вызываемое одиночными пульсовыми стимулами, оказывается не подверженным влиянию антагонистов рецепторов ionotropic glutamate или GABA (27), подтверждая отсутствие тонической регуляции с помощью этих трансмиттеров на срезах. Однако, во время симуляции с помощью множественных пульсовых стимулов, регуляция конкурентно высвобождаемого glutamate и GABA наблюдается в SNc и VTA (30). В SNc, высвобождение dopamine, вызываемое локальной многократной (pulse-train) стимуляцией, подавляется конкурентно высвобождением glutamate, действующим на AMPA и NMDA рецепторы. Это подавление предупреждается с помощью антагонистов рецептора GABA, это согласуется с анатомическими данными, показавшими, что AMPARs ингибирующие импульсы для SNc (30,182, 260). Напротив, увеличение высвобждения dopamine, вызываемое с помощью антагонистов NMDA-рецептора во время pulse-train стимуляции, оказывается неизменным при действии коктейля из антагонистов GABA рецептора, указывая тем самым на участие др. ингибирующего медиатора. Одним из возможных кандидатов является эндогенно генерируемый H2O2, который, как было установлено, подавляет высвобождение dopamine в SNc (26) и может быть генерирован ниже после активации NMDAR.
В VTA, pulse-train вызываемое высвобождение dopamineне затрагивается блокированием GABAA-, GABAB- или AMPA-рецепторов. Напротив, блокирование NMDA-рецепторов супрессрует возникновение [DA]o, что согласуется с зависимым от glutamate облегчением высвобождения dopamine (30). Важно, однако, что блокаторы AMPA или NMDA рецепторов снижают вызываемое высвобождение dopamine, если воздействуют на присутствие антагонистов GABA-рецепторов, демаскируя тем самым обычный прямой возбуждающий эффект glutamate импульсов на VTA dopamine нейроны.
Регуляция с помощью глютамата соматодендритного высвобождения dopamine в SNc осуществляется также посредством metabotropic, с G-белком связанного рецептора mGluR1 (184). mGluR1α экспрессируется на высоком уровне в dopamine нейронах, а активация mGluR1 продуцирует IP3R-обусловленное высвобождение Ca2+ из ER хранилищ, это облегчает индуцированные высвобождение dopamine. Однако, при сильном увеличении внутриклеточного Ca2+, ингибируется возбудимость dopamine нейронов и соотв. высвобождение dopamine может возникнуть в результате активации Ca2+-активируемых K+ каналов (64, 153). Следовательно, конечный эффект регуляции высвобождения dopamine с помощью mGluR1s будет зависеть от концентрации экзогенного mGluR1 агониста или от интенсивности стимулов для эндогенного высвобождения глютамата (48, 184). Итак, активация mGluR1s может также облегчать высвобождение дендритами dopamine в SNr, возможно из-за повышенных уровней dopamine в цитоплазме и последующего DAT возвращения (177).

Possible role of coreleased glutamate and GABA


Распознание того, что dopamine нейроны одновременно высвобождают множество трансмиттеров, включая glutamate и GABA, породило новую концепцию "autoreceptor" регуляции. Первоначальные исследования, использовавшие культивируемые dopamine нейроны, установили, что они могут синтезировать и высвобождать glutamate (36, 55). В подтверждение этого последующие оптогенетические методы с использованием избирательной экспрессии channel rhodopsin в dopamine нейронах, продемонстрировали, что глютамат, высвобождаемый из dopamine аксонов, продуцирует зависимые от рецептора глютамата возбуждающие постсинаптические токи в срезах striatal нейронов (35, 106, 225, 228, 231, 240) и обусловливают поведенческие эффекты in vivo (16). Сходные подходы были использованы, чтобы показать совместное высвобождение GABA из dopamine аксонов; хотя эти нейроны и синтезировали GABA, используя не обычный энзим, aldehyde dehydrogenase 1a1 (100), и они могут также получать GABA, потребляя его из внеклеточного пространства (225, 240). Т.о., если также совместно высвобождаются вместе dopamine из тел и дендритов, то glutamate и/или GABA д. ауторегулировать соматодендритное высвобождение dopamine. Эта воозможность подтверждена присутствием транспортеров везикулярного glutamate (vGluT2) в VTA dopamine нейронах (55, 84), а совместно высвобождаемый GABA, по-видимому, накапливается в секреторных пузырьках посредством VMAT2 (240), который присутствует во всех dopamine клеточных телах среднего мозга и в проксимальных частях дендритов (170).

Actions of Dendritically Released Oxytocin, Vasopressin, and Dopamine


Autocrine effects


Высвобождаемые дендритами нейротрансмиттеры обнаруживают аутокринные эффекты на нейроны, из которых они выделились, и также влияют на окружающие нейроны и глию. Эти эффекты могут изменять как входящие в клетку импульсы, так и клеточные реакции на эти импульсы. Это происходит, напр., в oxytocin клетках, в которых высвобождение дендритами oxytocin усиливает рефлекс выбрасывания молока.
Хорошо известно, что соматодендритное высвобождение является аутоингибирующим и тем самым само-ограничивающим. Vasopressin нейроны разряжаются характерным фазовым способом, который максимизирует связь между стимулом и секрецией в нервных окончаниях, но эта активность модифицируется с помощью подавляющих аутокринных эффектов vasopressin, высвобождаемого дендритами. Подобно oxytocin, vasopressin также может облегчать свое собственное высвобождение дендритами (258), это может объяснить временное расхождение периферического и центрального высвобождения vasopressin после гиперосмотических стимулов. Осмотическая стимуляция сопровождается непосредственной системной секрецией vasopressin, в то время как высвобождение дендритами задерживается и реакция более длительная (124). Увеличение концентраций vasopressin вне нейронов с помощью retrodialysis ингибирует vasopressin нейроны, снижая скорость их возбуждения (126). Т.о., высвобождение vasopressin дендритами может стимулировать высвобождение vasopressin соседними дендритами вплоть до того, пока локальная внешняя концентрация не достигнет порога, достаточного, чтобы гиперполяризовать нейроны или ещё и модулировать ингибирующие стимулы, ограничивая тем самым степень системной секреции vasopressin после осмотических стимулов или истощения объема.
Понимание этих аутокринных эффектов осложняется тем фактом, что внутри одиночного LDCV, несколько др. пептидов совместно располагаются вместе с vasopressin или oxytocin. Напр., эндогенный опиоид dynorphin локализуется вместе с vasopressin в тех же самых пузырьках (250), а высвобождаемый дендритами vasopressin сопровождается высвобождением dynorphin, чтобы осуществить обратное ингибирование активности vasopressin клеток (21). Кроме того, многие др. нейропептиды, такие как galanin, apelin, PACAP и secretin, синтезирутся в MCNs (54, 72, 77, 112). Сопровождаемая экспрессия рецепторов для этих пептидов на MCNs предоставляет механизмы аутокринной регуляции с помощью обратной связи путем одновременного высвобождения этих нейропептидов (19).
Аутокринные эффекты соматодендритного высвобождения dopamine являются центральным следствием этого процесса. Локально высвобождаемый dopamine соединяется с ингибирующими D2 ауторецепторами на dopamine нейронах в SNc и VTA, и тем самым регулирует скорость и паттерн возбуждения dopamine нейронов (10, 73, 75, 191, 265), жто в конечном счете влияет на уровень и паттерн высвобождения dopamine аксонами в CPu и NAc (211). Соматодендритное высвобождение dopamine в SNc и VTA также контролируется с помощью локальной обратной связи посредством D2 ауторецепторов (41).

Paracrine effects


Экзогенно добавляемый или эндогенно высвобождаемый oxytocin также действует на афферентные нервные окончания. SON не содержат пресинаптических oxytocin рецепторов, указывая тем самым, что это паракринное действия является косвенным. Один косвенный механизм участвует в oxytocin-зависимом высвобождении endocannabinoid из oxytocin нейронов (104, 175), опосредуемом с помощью действия дендритами высвобождаемого oxytocin на oxytocin рецепторы, в высвобождении Ca2+ из внутриклеточных хранилищ и затем в "по потребности" синтезе endocannabinoids. Endocannabinoids являются базирующимися на arachidonate липидами, которые являются достаточно гидрофобными, чтобы пассивно диффундировать через плазматические мембраны; их соединение с пресинаптическими cannabinoid рецепторами (CB1) подавляет GABAergic и glutamatergic афферентные волокна на MCNs. В самом деле, CB1 рецепторы были обнаружены с использованием иммуногистохимии на возбуждающих и подавляющих окончаниях аксонов, чтобы иннервировать дендриты в SON. На срезах SON агонисты cannabinoid пресинаптически ингибируют спонтанные возбуждения и ингибирующие постсинаптические токи.
Рефлекс выделения молока во время сосания представляет интересный пример локального паракринного контроля с помощью oxytocin. Oxytocin нейроны постоянно активны при базовых условиях, но во время родов и в ответ на сосание у лактирующих животных, наблюдаются короткие разряды, интенсивные взрывы потенциалов действия. Эти взрывы высвобождают большие шарики oxytocin в кровообращение, продуцируя интенсивные сокращения беременной матки или выбрасывание молока из молочных желез. Эти взрывы блокируются воздействием антагонистов oxytocin на SON, и облегчаются агонистами oxytocin (108). Высвобождение дендритами oxytocin усиливается во время родов и лактации и играет важную роль в генерации этих скачкообразных синхронизированных взрывов (201). Их эффекты не ограничены клетками, в которых они возникают, а распространяются также на дендриты др. oxytocin клеток, возможно облегчая гомотипичные взаимодействия.
Высвобождение дендритами vasopressin модулирует активность соседних presympathetic нейронов внутри PVN (218), представляя др. пример удаленного, паракринного действия высвобождаемых дендритами нейропептидов. Зависимое от активности высвобождение дендритами vasopressin из MCNs усиливает возбуждение нейронов, проецирующихся из PVN в ростровентролатеральные части medulla. Это общение между популяциями использует внеклеточную диффузию высвобожденного vasopressin на V1a рецепторы в presympathetic нейронах. Соотв., в отличие от обычной синаптической передачи эффективность и сила этого диффузного паракринного действия vasopressin зависят от концентрации внеклеточного vasopressin, которая в свою очередь зависит от средней активности всей популяции vasopressin нейронов. Это также зависит от полу-жизни vasopressin во внеклеточном пространстве, а также от способности vasopressin достигать относительно уделенных мишеней путем диффузии (напр., извилистость внеклеточного пространства). Эти примеры иллюстрируют важность высвобождения дендритами vasopressin для способности PVN контролировать активность удаленных популяций нейронов и тем самым продуцировать мультимодальные гомеостатические реакции (218, 220).
Учитывая структурные характеристики SNc и VTA dopamine нейронов среднего мозга, соматодендритное высвобождение dopamine, скорее всего, по крайней мере, частично не синаптическое. Более того, dopamine рецепторы и повторное использование транспортеров в тела dopamine клеток и дендриты в основном происходят вне синапсов (171, 172, 213, 261), т.к. имеются D1 рецепторы на nondopaminergic окончаниях в этих регионах (23, 261). Т.о., соматодендритное высвобождение dopamine д. действовать посредством передачи объема с помощью внеклеточной жидкости (194, 195). Внеклеточные концентрации dopamine в свою очередь регулируются диффузией, путем поглощения через DAT и с помощью (возможно незначительных) эффектов на деградацию, катализируемую энзимами(43, 195). Измерения диффузии ex vivo на срезах среднего мозга морских свинок показало, что внеклеточная объемная фракция в SNc, SNr и VTA ~50% крупнее, чем таковая в структурах переднего мозга, включая striatum (43), это д. приводить к более низким внеклеточным концентрациям в среднем мозге, чем в переднем мозге для данного количества высвобождаемых молекул. Конечно, конечное количество [DA]o также зависит от влияния др. регуляторов, особенно поглощение, которое более значительное в striatum, чем в среднем мозге, так что абсолютные концентрации в этих регионах не отличаются сильно от предполагаемых характеристик только диффузии (195). Интересно, что DAT активность более высокая в SNc, чем в VTA, это присходит к более значительным эффектам DAT ингибиторов на вызываемое увеличение [DA]o в SNc, чем в VTA (40, 43).
В противоположность доказательствам базирующейся на диффузии силе (volume) трансмиссии dopamine в SNc и VTA в исследованиях по оценке возбуждения D2ICs в dopamine нейронах подтвердило, что действия dopamine не только в основном независимы от диффузии, но и также являются синаптическими (9, 10, 38). Эти заключения базируются на некоторых наблюдениях. Во-первых, концентрация экзогенного dopamine необходима, чтобы индуцировать D2ICs сходной величины и поэтому продуцируемые эндогенно высвобождаемые допамины находятся в микромолярном диапазоне. Это контрастирует с наномаолекулярными концентрациями, ожидаемыми для D2 ауторецепторов в состоянии высокого сродства. Принимая во внимание, что концентрация внешнего dopamine быстро снижается с расстоянием от места высвобождения (38, 44, 195), интерпретация этого результата заключаестя в том, что dopamine, определяемый с помощью D2 рецепторов, находится сразу же за синапсами. Высвобождение синаптического dopamine не происходит в VTA, учитывая присутствие аксональных коллатералей (7, 28). Во-вторых, время возникновения возбуждения D2ICs относительно постоянно при стимуляциях, т.к. это ожидаемо для постсинаптической реакции. Однако, кинетика связанного G-protein, изнутри улучшающего K+ канал, активируемая с помощью dopamine, скорее всего, является скорость ограничивающим фактором в этом процессе, обеспечиваемом ауторецепторами. В самом деле, исследования по моделированию квантального высвобождения dopamine показывают, что пик концентрации достигается спуся ~10 ms после события высвобождения, даже на расстоянии в 5 µm от места высвобождения (43, 44, 195), тогда как пик D2 IPSC достигается спустя несколько сотен ms после стимуляции (38, 68). Так что споры о синаптической трансмиссии в противоположность volume transmission для соматодендритного высвобождения dopamine остается открытым (68, 195).

Functional Roles for Somatodendritic Oxytocin, Vasopressin, Dopamine, and Other Diffusible Messengers in the Brain


Oxytocin и vasopressin обеспечивают поведенческие эффекты: oxytocin участвует в материнском поведении и в социальных связях, тогда как vasopressin обладает действием в головном мозге, которое затрагивает общественное признание и социальную агрессивность (88, 168, 224). Места, в которых эти поведенческие эффекты осуществляются, в некоторых случаях, связаны с высокими уровнями экспрессии рецепторов, но низкой иннервацией с помощью проекций, содержащих пептиды. Могут ли высвобождаемые дендритами пептиды вызывать длительные поведенческие эффекты путем воздействия на удаленные мишени внутри головного мозга? Одинаковые изменения концентраций нейропептидов часто появляются в значительно удаленных др. от др. местах (127). Пептиды, высвобождаемые дендритами не нацелены специфически на синапсы, но пептиды могут перемещаться к своим мишеням с помощью объемного потока посредством внеклеточной жидкости и спинномозговой жидкости. Период полу-жизни oxytocin в CSF приблизительно 20 мин (144), в противоположность обычной меньше секунды продолжительности жизни dopamine, это ограничивает диапазон его действия после высвобождения аксонами и телами и дендритами (38, 44, 195).
Соматодендритное высвобождение dopamine также играет роль в поведнии животных, включая двигательную активность. Действие дендритами высвобождаемого dopamine на D1 dopamine рецепторы в окончаниях striatonigral направленного пути усиливает высвобождение GABA аксонами в SNr, умножая тем самым подавление принципиальных клеток SNr (149, 192, 239). Посредством этих путей соматодендритное высвобождение, как и аксональное высвобождение dopamine регулирует двигательное поведение (3, 15, 45, 56, 141, 200, 212, 233).
Паракринное или гормон-подобное действие нейропептидов и dopamine может оказаться способным к передаче сигналов между целыми популяциями нейронов, некоторые из которых могут быть довольно удалены др. от др. Т.о., эти трансмиттеры действуют более диффузно, менее ограничены пространственно и в течение более длительного времени, чем те, что участвуют в классической быстрой синаптической передаче. В химических синапсах "secrecy" сигнальной трансмиссии поддерживается с помощью структуры синапсов и окружающей сети для повторного использования транспортеров. Напротив, паракринная трансмиссия используется так, чтобы максимизировать сброс избытка (spillover), и это специфически зависит только от этих сигнал/рецептор взаимодействий. Кроме того, трансмиттеры, которые были рассмотрены здесь, и др. биогенные амины и acetylcholine высвобождаются мимоходом из boutons на сегментах аксонов (264). Расширение этой концепции, скорее всего, будет происходить в отношении газообразных нейротрансмиттеров, таких как nitric oxide и carbon monoxide (49). Скорее всего, все эти молекулы передают химические сигналы не просто от клетки к клетке, но и от одной популяции нейронов в др. (115, 116, 127), в то время как поддержание специфичности сигналов будет осуществляться посредством специфичных к трансмиттерам рецепторов.

Conclusions


Соматодендритное высвобождение oxytocin и vasopressin нейронами гипоталамуса предоставляет паракринные сигналы, которые являются критическими для нескольких ключевых физиологических событий, включая рождение, выделение молока и социальные связи. Соматодендритное высвобождение и volume transmission нейропептидов представляют собой форму гормонального действия. Эти нейрогормоны могут действовать когерентным во времени способом в дискретных местах головного мозга, чтобы устанавливать и координировать сложные поведенческие реакции.
Соматодендритное высвобождение dopamine допаминовыми нейронами среднего мозга предоставляет аутокринные сигналы, которые регулируют активность dopamine нейронов и тем самым вносят вклад в регуляцию высвобождения аксонами в регионы мишени. Столь же важно высвобождение dopamine телами клеток, которое вносит вклад в регуляцию высвобождения др. нейротрансмиттеров, включая GABA и glutamate. Посредством этих действий соматодендритное высвобождение dopamine вносит вклад в регуляцию двигательной активности, а также пластичности в отношении circuits, включая аномальную пластичность в ответ на злоупотребление наркотиками.
Недавно получено доказательство относительно механизма и регуляции соматодендритного высвобождения oxytocin, vasopressin и dopamine, включая лежащие в основе сходства и различия. Нет причин верить, что соматодендритное высвобождение ограничивается этими системами.