Characteristics and plasticity of electrical synaptic transmission
 BMC Cell BiologyBMC series 2016 17(Suppl 1):13 DOI: 10.1186/s12860-016-0091-y | |
|---|---|
|
Electrical synapses are an omnipresent feature of nervous systems, from the simple nerve nets of cnidarians to complex brains of mammals. Formed by gap junction channels between neurons, electrical synapses allow direct transmission of voltage signals between coupled cells. The relative simplicity of this arrangement belies the sophistication of these synapses. Coupling via electrical synapses can be regulated by a variety of mechanisms on times scales ranging from milliseconds to days, and active properties of the coupled neurons can impart emergent properties such as signal amplification, phase shifts and frequency-selective transmission. This article reviews the biophysical characteristics of electrical synapses and some of the core mechanisms that control their plasticity in the vertebrate central nervous system. |
Организация нейронов в сети является определяющим свойством нервной системы. Сети важны для наиболее сложных расчетов и всех превращений сенсорных импульсов для функционального результата. Такая организация сети сопровождается образованием синапсов, которые осуществляют коммуникации между нейронами. Во всех нервных системах, изменения в действенности синапсов являются фундаментальным инструментом для модификации сети для выполнения специфических целей, получения специфических импульсов или результатов и для обучения.
Два структурно и функционально разных типа синапсов, химические и электрические, осуществляют основные коммуникации между нейронами. Химические синапсы, с отличающимися сложными пресинаптическими и постсинаптическими элементами, являются пластичными, подвергаются изменениям, которые усиливают или ослабляют синапсы при определенных условиях. Щелевыми соединениями обусловленные электрические синапсы структурно более простые, что создает неправильное представление, что они и функционально просты. Однако, электрические синапсы, как было установлено, обладают значительной широтой пластичности, внося вклад во многие пути модификаций сети расчетов, важных для оптимизации функции нервной системы. Properties of electrical synaptic transmission Щелевые соединения представлены агрегатами межклеточных каналов, которые соединяют цитоплазму двух клеток, обеспечивая путь для диффузии малых внутриклеточных растворенных веществ между клетками [1, 2]. Помимо этой химической связи щелевые соединения поддерживают электрическую связь, благодаря их способности обеспечивать перемещение ионов, тем самым представляя путь низкой резистентности для прямого течения электричекого тока между клетками (Fig. 1a,b). Поскольку общение посредством щелевых соединений происходит без участия каких-либо промежуточных мессенджеров как это происходит в химических синапсах, они предоставляют быстрый механизм для межклеточной синаптической трансмиссии.
Fig. 1
Basic properties of electrical coupling. a Schematic drawing of experimental design for study electrophysiological properties of electrical synapses showing simultaneous intracellular recordings using the dual whole cell patch clamp technique applied to a pair of coupled cells. b When a hyperpolarizing current pulse is injected to cell 1 (I Cell 1) a voltage deflection is produced in that cell (V1) and also in the cell 2 (V2), although voltage change in the later is of smaller amplitude. Traces are representative drawings. c An action potential in one cell (cell 1) of an electrically coupled pair produces a coupling potential or spikelet in the other cell (cell 2), which present a much slower time course compared to the presynaptic spike. d Left, Drawing shows the equivalent circuit for a pair of coupled cells during current injection into cell 1 (oblique arrow, I) where R1 and R2 represent the membrane resistance of cell 1 and cell 2 respectively and Rj represents the junctional resistance. For a voltage change at steady state (red portion of traces in B) the membrane capacitance is fully charged and current is only resistive. Smaller arrows indicate the direction of current flow in the circuit. Right, Circuit representing the voltage divider constituted by the junctional resistance (Rj) connected in series to the membrane resistance of the postsynaptic cell (R2). Input voltage is the membrane voltage change in the presynaptic cell (cell 1, V1), whereas the output voltage of the divider is the membrane voltage change in the postsynaptic cell (cell 2, V2) После первого описания двигательных гигантских синапсов у рака [3, 4], электрическая трансмиссия была установлена в нервной системе многих биологических типов, от примитивных животных. подобных медузам, до более развитых, подобных млекопитающим [5]. В головном мозге электротонические связи между нейронами были идентифицированы почти в каждой структуре, включая неокортекс, гиппокамп, нижние ядра обив, кора надпочечников, тройничное мезэнцефалическое ядро, вестибулярное ядро, гипоталамус, спинной мозг и сетчатка среди прочих (rev. [6]).
Во многих случаях эти соединения ведут себя как простые омические сопротивления, посредством которых течение тока определяется c помощью различий в напряжении (voltage) соединенных клеток (transjunctional voltage) и c помощью сопротивления соединения. В качестве таковых они поддерживают двунаправленное общение и стремятся уравнять мембранные потенциалы соединенных клеток. Это означает, что активация любой клетки, соединенной с парой, будет давать сравнимый ослабленный потенциал (потенциал соединения или вторичный пик (spikelet)) в др. клетке (Fig. 1c). Эти характеристики щелевых соединений, обеспечивающие трансмиссию, определяют два отличающиеся физиологические свойства электрических синапсов: высокую скорость и признак консервации. Обе эти характеристики могут способствовать синхронной активации ансамблей нейронов. Однако, помимо этих двух, хорошо известных и классических ролей, электрическое купирование в соединениях со свойствами непроводящих мембран нейронов, предоставляются механизмы для более сложных операций, подобных ингибированию, амплификации и трансмиссии избирательных частот. Determinants of the strength of electrical synapses В большинстве случаев электрические синапсы могут рассматриваться как функция простого сопротивления между соединенными нейронами. Соотв., степень, с которой нейрон купируется с другим может быть описана электрическим влиянием изменения напряжения в одном из нейронов на сцепленного соседа, т.е. коэффициента купирования (C): C=V2V1C=V2V1
(1) где V1 это напряжение "возбуждаемой" клетки, а V2 это напряжение "ведомой" клетки. Из этого взаимоотношения становится ясным, что купирование потенциалов представляет тот же самый признак как и пресинаптические сигналы, но меньшей амплитуды (Fig. 1b). В отсутствие механизмов, зависящих от напряжения в постсинаптической клетке, этот коэффициент варьирует между 0 и 1, и его значение выше, чем выше степень, с которой клетки электрически связаны. Для изменения напряжения в устойчивом состоянии простейшей электрической репрезентацией двух клеток, соединенных щелевым соединением, является схема (circuit) представленная на левой панели Рис. 1d, где Rj представляет сопротивление соединения, а R1 и R2 сопротивление мембран, соединенных клеток [7]. Ток, введенный в клетку 1 присутствует в виде двух параллельных путей тока, один через R1 и др. с использованием Rj и R2, тем самым продуцируется изменение напряжения как в пресинаптической клетке (V1), так и в постсинаптической клетке (V2). С др. стороны, поскольку Rj и R2 связаны в серию, они составляют разделитель или ослабитель напряжения; т.е., простой цикл, где входящее напряжение распределяется между двумя компонентами пропорционально в соответствии со значением их сопротивления, становясь вольтажем входа V1 и вольтажем выхода V2 (Fig. 1d, right panel). В разделителе напряжения выходной вольтаж зависит от входного вольтажа в соответствии со следующим уравнением [8]:
V2=V1?R2R2+RjV2=V1?R2R2+Rj (2) Согласно этому уравнению V2V1=R2R2+Rj, и так как C=V2V1, то C=R2R2+RjV2V1=R2R2+Rj, и так как C=V2V1, то C=R2R2+Rj (3) В соответствие с этим анализом можно сделать заключение, что коэффициент связи (coupling coefficient) зависит как от сопротивления соединения, так и сопротивления мембраны (вне соединения) второй постсинаптической клетки [7]. Однако, сила электрической трасмиссии не зависит от абсолютного значения любого из этих сопротивлений, но вместо этого зависит от взаимоотношения между ними. Поскольку сопротивление соединения зависит от свойств каналов межклеточных щелевых соединений, сопротивление мембраны зависит от от количества каналов в мембране вне соединений, открытых при потенциале покоя, и является основным детерминантом входного сопротивления нейронов и, следовательно, от способа, c помощью которого они отвечают на вводимые синаптические импульсы. Plasticity of electrical synapses Принимая во внимание, что сила связи (coupling) между нейронами зависит от динамических факторов, таких как сопротивление щелевого соединения и сопротивления мембраны постсинаптической клетки, становится ясно, что купирование также изменяется динамически. В самом деле, все аспекты, контролирующие силу электрических синапсов, могут изменяться в ходе широкого разнообразия временных шкал, от миллисекунд до дней, при этом разные механизмы участвуют в разных временных шкалах. Эти механизмы будут рассмотрены ниже. Changes in conductance of electrical synapses Voltage gating of connexin channels Подобно многим др. мембранным ионным каналам, каналы щелевых соединений обладают некоторой степенью чувствительности к напряжению [1,9]. Управление напряжением пропускной способности (Voltage gating) коннексиновых каналов приводит к сдвигу к состоянию низкой проводимости или к состоянию полупроводимости (subconductance) на уровне индивидуальных каналов [9]. Динамичное вольтажное управление пропускной способностью происходит во время потенциалов действия кардиальных миоцитов [10] и вносит вклад в форму волны и распространение потенциала действия по синцитию. Такое поведение пропускной способности приписывается в основном каналам Cx43, которые являются преобладающими коннексинами в кардиальных миоцитах.
В противовес кардиальным щелевым соединениям, каналы щелевых соединений, образуемые c помощью Cx36, главного синаптического коннексина головного мозга млекопитающих, обнаруживают слабую зависимость от напряжения тока. Фактически, сопротивление соединения почти нечувствительно к напряжению проводящего соединения до ±30 mV и снижается постепенно на ~60 % в пределах выше 90 mV. Более того, время свершения подлежащего процесса проведения требует сотен миллисекунд или секунд, чтобы достичь устойчивого состояния [11-13]. Поскольку процессы управления проводимостью каналов щелевых соединений способны продуцировать существенные модификации проведения через соединения, то эти изменения происходят на временной шкале на несколько порядков величин больше, чем те что от одиночных всплесков (spikes) и синаптических потенциалов, основных источников потенциалов сцепления (coupling) при физиологических условиях. Т.о., синапсы, представленные Cx36, вряд ли чувствительны к управлению напряжением пропускной способности во время нормальной нейрональной активности.
Др. коннексины, которые образуют электрические синапсы в нервной системе позвоночных, обладают более мощным вольтажным управлением пропускной способности. Cx45, который присутствует в небольших количествах электрических синапсов, особенно чувствителен к напряжению в канале трансдукции [14, 15], при этом уменьшение наполовину от максимума чувствительной к напряжению проводимости наблюдается при 13.4 mV в устойчивом состоянии. Поскольку вольтажное управление проводимостью коннексиновых каналов управляется в основном c помощью "fast gate" [9], кинетика этого механизма тем не менее отчасти медленная и вряд ли оказывает существенное влияние на проводимость канала во время потенциала действия нейронов. Однако, управление проводимостью, скорее всего, происходит в нейронах, которые используют, устойчивую передачу сигналов градированного напряжения, такое как ретинальные биполярные клетки, некоторые из которых используют Cx45 в электрических синапсах [16-18]. Влияние любого такого изменения на передачу электрических сигналов неизвестно. Phosphorylation and dephosphorylation of channels Очень существенные изменения в общей проводимости каналов щелевых соединений, кторые формируют электрические синапсы, происходят посредством сигнальных путей, которые приводят к фосфорилированию и дефосфорилированию коннексинов. Исследования горизонтальных клеток сетчатки показали, что catecholamines, dopamine в частности, уменьшают размер воспринимаемого поля и отслеживают сцепление (coupling) [19-22]. Эти эффекты, как было установлено, возникают в результате активации рецептор D1 dopamine, который увеличивает внутриклеточный цАМФ посредством активности adenylyl cyclase [23-25], и зависят от активации протеин киназы A [26]. Снижение электрического купирования в горизонтальных клетках рыб возникает в результате снижения вероятности открытия каналов щелевых соединений без изменения в unitary проводимости [27]. Горизонтальные клетки рыб содержат несколько коннексинов: Cx55.5, Cx52.6 и Cx52.9 все они были идентифицированы у рыбок данио [28-30]. Неясно который, или любой из них вносят вклад в пластичность, которая наблюдается в горизонтальных клетках рыб, изученных физиологически.
Огромное большинство электрических синапсов в ЦНС млекопитающих использует Cx36 (гомолог Cx35 у позвоночных не млекопитающих). Ряд исследований in vitro показал, что электрическое или tracer купирование посредством этого коннексина регулируется c помощью фосфорилирования, управляемого c помощью cAMP/PKA [31, 32], nitric oxide/PKG [33] и Ca2+/CaMKII сигнальных путей [34, 35], с немногими законсервированными сайтами фосфорилирования, являющихся ключевыми регуляторами купирования. Биофизическая основа изменений макроскопического купирования, не установлена, но изменения в вероятности открытости канала, базирующаяся на изменениях среднего времени открытия, были предположены в качестве механизма пластичности [35].
Ряд исследований показал, что изменения в состоянии фосфорилирования Cx36 в зависимости от условий, которые изменяют купирование, являются точными и в основном линейными, при этом указатель купирования оценивался c помощью переноса трассера [36-39]. В нейронах сетчатки, зависимые от фосфорилирования изменения в купировании, управляются c помощью световой адаптации [38-40] и/или циркадных ритмов [41-43]. Сигнальные пути, которые контролируют эти изменения были изучены детально в фоторецепторах и AII амакинных клетках, установив общий способ регуляции c помощью хорошо известных противоположных сигнальных путей.
Роль dopamine D2-like рецепторов в контроле купирования палочковидных с колбочковидными фоторецепторами уже известна давно [44, 45]. У грызунов это настоящий D4 рецептор [39, 46], который ингибирует adenylyl cyclase посредством Gi и снижает уровень цАМФ. Фосфорилирование Cx36 контролируется c помощью активности protein kinase A (PKA), изменяясь в ответ на альтерации цитоплазматического цАМФ [38, 39, 47] (Fig. 2). У мышей и рыбок данио действию dopamine D4 рецептора противостоит действию Gs-coupled adenosine A2a рецептора [39, 47]. Уровни секретируемого допамина и внеклеточного аденозина варьирует в сетчатке противоположным образом и обе регулируются c помощью циркадных ритмов [48]: уровень допамина высок в дневное время или в воспринимаемое как день, тогда как уровень аденозина высок в ночное время или воспринимаемое как ночь. Li et al. [47] недавно установили, что рецептор Adenosine A1 также присутствует. Gi-coupled A1 рецептор обладает более высоким сродством к аденозину, чем к A2a и активируется в дневное время c помощью низкого уровня внеклеточного аденозина, который остается. Эта активация A1 рецептора усиливает ингибирующее действие dopamine D4 рецептора на adenylyl cyclase, сильно супрессируя фосфорилирование Cx36 и сцепление фоторецепторов в дневное время [47]. Поскольку все три рецептора действуют на одну и ту же мишень, adenylyl cyclase, то регулирование фосфорилирования Cx36 и купирования фоторецепторов является ступенчатой двухфазной функцией, которая удерживает купирование на минимуме во время дня (Fig. 2).
Fig. 2
Signaling pathways that control coupling in two types of retinal neuron. Coupling through Cx36 gap junctions is regulated by Cx36 phosphorylation through an order of magnitude dynamic range. Phosphorylation enhances coupling and pathways that promote Cx36 phosphorylation are colored green in this diagram while those that reduce phosphorylation are colored red. Elements colored blue are hypothesized to play a role but have not been specifically demonstrated. a Retinal AII amacrine cell coupling is increased by Cam Kinase II phosphorylation driven by Ca2+ influx through non-synaptic NMDA-type glutamate receptors. This process depends on spillover glutamate derived from bipolar cells and is enhanced by activation of synaptic AMPA-type glutamate receptors that depolarize the cell. Reduction of Cx36 phosphorylation is driven by an independent pathway in which activation of D1 dopamine receptors increases adenylyl cyclase activity, activating protein kinase A, which in turn activates protein phosphatase 2A. Protein phosphatase 1 suppresses this pathway. Both pathways are activated by light, but with different thresholds, leading to an inverted U-shaped light adaptation curve. b Photoreceptor coupling is enhanced by Cx36 phosphorylation driven directly by protein kinase A activity under control of adenylyl cyclase (AC). AC activity is in turn controlled by an intricate set of G-protein coupled receptors regulated by circadian time and light adaptation. Darkness during the night phase increases extracellular adenosine such that activation of A2a adenosine receptors dominates signaling and activates AC. Light adaptation or subjective daytime result in reduced extracellular adenosine and increased dopamine secretion such that activation of dopamine D4 receptors dominates signaling to suppress AC activity. A1 adenosine receptors supplement this effect. The opposing signaling pathways routed through a common effector impart a steep monophasic character to the light adaptation and circadian control of coupling in this neural network В сетчатке AII амакринных клеток пластичность электрического купирования известна уже 25 лет [49]. Эта пластичность управляется светом, при этом двухфазный паттерн обнаруживает очень низкое купирование во время продолжительных условий адаптации к темноте, высокое купирование при освещении низкой интенсивности и низкое купирование при высокой освещенности [50,51]. Управляемое сильным светом снижение купирования обеспечивается допамином, при этом допаминовые D1 рецепторы увеличивают активность adenylyl cyclase и усиливают активность протеин киназы A [49, 52]. AII амакринные клетки используют Cx36 [53], а супрессия купирования c помощью активности протеин киназы A согласуется с позитивным эффектом, которое активность протеин киназы A оказывает на купирование фоторецепторов, обеспечиваемое c помощью Cx36 [38, 39]. Это противоречие было разрешено Kothmann et al. [37], которые продемонстрировали, что активность PKA в свою очередь активирует протеин фосфатазу 2A, чтобы управлять дефосфорилированием Cx36 в AII амакринных клетках (Fig. 2), приводя к отсутсвию купирования.
Кривая двухфазной адаптации восходящего отростка AII амакринных клеток зависит от активности glutamatergic On пути биполярных клеток, которые являются первого порядка возбуждаемыми промежуточными нейронами постсинаптических фоторецепторов. Подобно др. формам зависимого от активности потенциирования, усиление купирования AII амакринных клеток возникает в результате активации NMDA рецепторов, притока Ca2+ и активации Cam Kinase II, которая фосфорилирует Cx36 [40]. Рецепторы NMDA на AII амакринных клетках являются не синаптическими и тесно ассоциированы с Cx36 [40], так что их активация зависит от избытка глютамата. Это, скорее всего, возникает в палочковидных биполярных клетках, которые являются пресинаптическими по отношению к AII амакринным клеткам, но могут также происходить из колбочковидных On биполярных клеток, которые находятся по соседству. Т.к. эти сигнальные пути в AII амакринных клетках, фосфорилирующие и дефосфорилирующие Cx36 являются независимыми (Fig. 2), и имеют разные пороги освещенности, то кривая световой адаптации AII амакринных клеток обнаруживает характеристики двухфазного паттерна.
Зависимая от активности потенциация электрических синапсов AII амакринных клеток напоминает таковую, которая была описана в смешанных синапсах club окончаний слухового VIIIth нерва на Mauthner клетки у золотых рыбок [54,55]. Пластичность в Mauthner клетках отличается тем, что NMDA рецепторы, которые передают Ca2+ сигнал, являются синаптическими и нуждаются в высокочастотной стимуляции для потенциирования. Сходная зависимая форма пластичности, в не синаптических NMDA рецепторах, была также описана недавно в нейронах нижних олив крыс [56].
Разнообразные др. сигнальные пути были обнаружены как модулирующие электрические синапсы. В промежуточных нейронах thalamic reticular nucleus (TRN), возбуждающий входящий сигнал депрессирует электрические синапсы путем активации metabotropic glutamate receptors (mGluRs) [57]. Такая передача сигналов была описана детально. Обе группы I и II mGluRs модулируют купирование, но с противоположными эффектами [58]. Доминантный эффект возникает посредством активации Group I mGluRs, которая вызывает долговременную депрессию c помощью активации Gs сигнального пути, стимулируя adenylyl cyclase и активируя PKA. Однако, избирательная активация group II рецепторов mGluR3 способствует долговременной потенциации посредством активации Gi/o [58]. Она использует тот же самый путь, проходящи й в конечном итоге через активность PKA. Поскольку TRN нейроны используют Cx36 [59], посредством которых электрическое купирование усиливается c помощью фосфорилирования [35, 37-39], то этот сигнальный механизм д. включать PKA-активируемую фосфатазу, чтобы снижать фосфорилирование Cx36 после активации PKA способом, сходным с тем, что имеет место в ретинальных AII амакринных клетках.
Гистаминовые H1 и H2 рецепторы, как было установлено, модулируют купирование между разными популяциями нейронов в supraoptic ядре [60, 61]. Передача сигналов H2 рецепторов посредством adenylyl cyclase, но не H1 рецепторов вместо того, чтобы активировать NO synthase, осуществляет передачу сигналов посредством nitric oxide, guanylyl cyclase и protein kinase G. Потенциально сходный управляемый оксидом азота путь передачи сигналов также избирательно регулирует гетерологические электрические синапсы между ретинальными AII амакринными клетками и колбочковыми On биполяными клетками [52]. Очевидно, что присутствует широкое разнообразие сигнальных путей, участвующих в регуляции силы электрических синапсов посредством фосфорилирования и дефосфорилирования коннексинов в разных нейронах посредством ЦНС. Changes in number of channels Изменения в уровне экспрессии коннексинов создает механизм управления купированием клеток на временной шкале от часов до недель. Такие изменения наиболее выражены в развитии. Электрическое купирование в большинстве областей ЦНС позвоночных стремится к увеличению до более высоких уровней в ранних фазах развития и затем снижается снова [62-64]. В одном исследовании было установлено, что активация группы II mGLuRs ответственно за повышение онтогенетического купирования клеток, действуя посредством транскрипционных и пост-транскрипционных механизмов [65].
Неожиданно сходное увеличение купирования нейронов наблюдалось также вследствие различного типа повреждений [66]. Ишемические повреждения приводили к увеличению купирования нейронов и уровня белка Cx36, без очевидного увеличения на транскрипционном уровне [67, 68]. Это было приписано активации группы II mGluR, как и в случает онтогенетического увеличения, при этом наблюдалась зависимость от сигнального пути cAMP/PKA [68]. Травматические повреждения [69, 70] и судороги [71, 72] также приводили к усилению купирования нейронов, и эти повреждения приводят к увеличению уровня транскриптов Cx36. В этих контекстах альтерации в уровне экспрессии коннексинов, которые образуют электрические синапсы, являются важными факторами в долговременных изменениях в купировании нейронов.
Электрическое купирование зрелых нейронов существенно зависит от поддержания в популяции в устойчивом состоянии белков щелевых соединений. Недавнее исследование показало, что электрическое купирование Mauthner клеток золотых рыбок c помощью смешанных синапсов снижается в течение нескольких минут, если нарушается за счет пептидов, которые нарушают стабилизацию взаимодействий Cx35 с каркасными белками или блокируется SNARE-обеспечиваемая доставка новых Cx35 [73]. Др. исследование выявило циркадную регуляцию уровней Cx36 транскриптов и белков в фоторецепторах [74]. Эти исследования показали, что электрические синапсы являются динамическими структурами, чьи каналы активно переключаются, подтверждая, что регулируемая доставка коннексинов может вносить вклад в модификации проводимости щелевых соединений. The role of the passive properties of the postsynaptic cell The membrane resistance of the postsynaptic cell Ранее упоминаемое электрическое купирование зависит от сопротивления щелевых соединений и сопротивления мембраны постсинаптических клеток. Фактически, поскольку изменения в сопротивлении щелевых соединений обусловлены модификациями проводимости одиночных каналов или количества межклеточных каналов, они могут вызывать существенные изменения в коэффициенте купирования, модификации постсинаптической мембраны также могут вызывать существенные и высоко динамичные изменения в силе электрического купирования. Тот факт, что сопротивление соединений (Rj) и сопротивление мембраны постсинаптической клетки (R2) составляют делитель напряжения (Fig. 1d) указывает на то, что когда Rj является высоким по сравнению с R2, то большая часть импульсов входящего будет снижаться посредством Rj и лишь небольшая фракция посредством R2, указывая на скромные изменения в напряжении в постсинаптических клетках, что соответствует низкому коэффициенту купирования. Напротив, если R2 высокое по сравнению с Rj, то соответственно большая фракция входящего напряжения (V1) будет появляться на мембранах постсинаптических клеток (V2). Высокое напряжение снижается посредством R2, это соответствует высокому коэффициенту купирования, указывая, что клетки сильно сцеплены. Эта зависимость коэффициента купирования от сопротивления входящим импульсам постсинаптической клетки предопределяет направленность трансмиссии, когда происходит электрическое купирование между клетками с разным сопротивлением входящим импульсам. Фактически электрическая трансмиссия может быть более эффективной при переходе от низкого сопротивления входящим импульсам к более высокому сопротивлению входящим импульсам при сравнении с противоположным направлением. Следовательно, несмотря на присутствие non-rectifying контактов, симметричные коммуникации будут происходить только, когда соединенные клетки обладают сходной резистентностью к входящим импульсам. Следовательно, направленность электрической передачи обусловливается асимметрией пассивных свойств соединенных клеток, это может быть ключевым детерминантом тока информации внутри нейрональных связей (circuits). Modification of passive membrane properties by synaptic inputs Интересно, что модификации сопротивления мембраны (Rm) купированных клеток, обусловленное почти химически обусловленными синаптическими действиями, могут существенно модулировать силу электрического соединения (coupling) высоко динамическим способом [5, 75]. Фактически, поскольку эти синаптические действия обычно используют изменения в проницаемости мембран к разным видам ионов, они сопровождаются соотв. изменениями в сопротивляемости мембраны постсинаптической клетки и, следовательно, силы электрического купирования. Обычно, возбуждающие синаптические действия обеспечиваются или за счет повышенной проницаемости мембраны к Na+ и K+ (понижение Rm) или за счет снижения проницаемости по отношению к K+ (повышение Rm). Обычно синаптические действия определяются по признаку их эффекта на мембранный потенциал пост-митотической клетки (деполярзация в противовес гиперполяризации). Удивительно то, что хотя оба синаптических действия являются сдвигами деполяризации вольтажа мембран, они оказывают противоположные эффекты на эффективность электрической трансмиссии. В то время как синаптические действия, использующие увеличение сопротивления Rm увеличивают силу купирования, снижение Rm приводит исчезновению купирования электрически соединенных клеток [76]. Сходны шунтирующий эффект c помощью GABAergic вводимых импульсов было предположено, как лежащее в основе разъединения пар нейронов нижних олив [77, 78]. Эти результаты показывают, что сопротивляемость мембран постсинаптических клеток является ключевым элементом для регуляции электрического купирования, являясь столь же важным, как сопротивляемость соединений. Это означает, что изменения в эффективности электрических синапсов могут завершаться посредством модификаций любого из этих двух сопротивлений. Альтернативно, когда электрическое купирование, как полагают, является постоянным в смысле обеспечения функции стабильной сети, то изменения электрофизиологических свойств купированных клеток нуждается в соотв. изменениях сопротивления соединений. Фактически, конкурентные изменения сопротивления соединения и мембраны купированных клеток гомеостатическим способом были предположены. как лежащие в основе стабильности силы электрического купирования между нейронами таламического ретикулярного ядра во время развития. The time constant of the postsynaptic cell Время продолжительности изменений мембранного напряжения (voltage) доминирует над клеточным ёмкостным сопротивлением, которое возникает в результате способности биологических мембран к раздельным электрическим зарядам. Фактически, поскольку простое омическое сопротивление соответствует скачку тока со сходным скачком напряжения, то клетки обнаруживают чувствительность к напряжению, которое увеличивается и распадается более медленно, чем скачок тока (current step) (Fig. 1b). Это свойство мембран может быть отмоделировано c помощью резисора (resistor), соединенного параллельно с конденсатором. Способность такой связи (circuit) замедлять изменения в напряжении возникает в результате того, что разряженное ёмкостное сопротивление не оказывает сопротивления прохождению тока, предопределяя тем самым то, что в начале скачка тока все проходящие токи д. протекать через ёмкостное сопротивление и не один через сопротивление. Т.к. ёмкостное сопротивление, становясь заряженным, прогрессивно развивается в направлении большей резистентности к течению тока и больше тока д. протекать через сопротивление [80].
Этот кругооборот (circuit) представляет собой простой фильтр нижних частот для входящих импульсов тока, характеризующийся его постоянством во времени. В самом деле, сопротивление щелевых соединений, соединенных в серию параллельных сопротивлений, и ёмкостное сопротивление постсинаптических клеток ведут себя как фильтр низких частот (low-pass), определяющий, чтобы компоненты высоких частот пре-синаптических сигналов были сравнительно более ослабленными. Т.о., медленные флюктуации напряжения (voltage) мембран будут проходить более эффективно между клетками, чем быстрые сигналы [7, 81]. Это являются характерным свойством электрической передачи и лежит в основе того факта, что потенциалы сцепления более медленный временной хо, которые им генерируются (Fig. 1c). Результатом этого свойства является задержка постсинаптических реакций, вызываемых в ответ на пресинаптические сигналы. Это свойство фильтра нижних частот известно как лаг фаза, представляющая синаптическую задержку в электрических синапсах. Хотя ток начинает течь через соединение без задержки, необходимо время для зарядки постсинаптического ёмкостного сопротивления до значительного уровня, чтобы генерировать обнаружимые изменения вольтажа выше уровня шумов [81].
Ранние описания электрических синапсов у беспозвоночных уже предполагали, что эти контакты обладают характеристиками фильтрации низких частот [4, 82, 83]. Недавно характеристики фильтрации электрической трансмиссии были выявлены между центральными нейронами млекопитающих, путем использования записи с целых пар клеток и путем инъекции синусоидальных токов разной частоты (Fig. 3b). При таких экспериментальных условиях коэффициенты купирования и лаг фаза были определены как функция синусоидальных частот. такой экспериментальных подход к разным типам клеток, подобных промежуточным GABAergic нейронам неокортекса [84-86], нейронам таламического ретикулярного ядра [59], клеткам Golgi мозжечка [87], ретинальным AII амакринным клеткам [88] помимо прочих подтвердил, что электрическая трансмиссия обнаруживает фильтрацию низких частот, позволяя проходить сигналам низкой частоты, но сильно ослабляя и задерживая сигналы высоких частот [6].
Fig. 3
Frequency selectivity of electrical transmission. a Equivalent circuit of a pair of coupled cells including the passive elements (resistance and capacitance, black) and active voltage-dependent conductances (INap and IK) represented as a variable resistor in series to an EMF. b Top panel, Sinusoidal current waveform of increasing frequency (ZAP protocol) is injected into cell 1 (I Cell 1) in order to test the frequency-dependent properties of electrical transmission between coupled cells. Middle, Superimposed are depicted the voltage membrane responses of the presynaptic cell (Vm Cell 1) and of the postsynaptic cell (Vm Cell 2) for a pair of coupled cells which include only passive elements (RC circuit, black elements in circuit in A). Both responses are characteristics of a low-pass filter where amplitude of membrane response decreases monotonically as sinusoidal frequency increases. Bottom, By contrast, when cells present passive and active voltage-dependent currents (IK and INap) membrane responses present certain frequency selectivity where signals close to the characteristic frequency are of bigger amplitude compared to signals whose frequency lie far from this value. c Schematic plot of the frequency transfer characteristics of electrical transmission calculated as the ratio of the FFT of the postsynaptic membrane response over the FFT of the presynaptic membrane response depicted in B, for a pair of passive cells (gray trace) and for a pair of cells which also present resonant and amplifying currents (IK and INap respectively). Whereas transfer function when cells present only passive elements show the typical profile of a low-pass filter (gray trace), the presence of voltage-dependent currents determines that transmission of signals near the characteristic frequency (vertical dashed line) is less attenuated, determining a maximum in the function (red trace). Traces are representative drawings Свойства электрических синапсов предопределяют, чтобы медленные изменения потенциала (обычно подпороговые) передавались преимущественно сверх потенциалов действия, наделяя электрические синапсы способностью передавить иную информацию помимо импульсов (spikes), передаваемых посредством химических синапсов. Напр., в типах клеток, где потенциалы действия являются следствием крупной и продолжительной after-hyperpolarization (AHP), обусловленной задержкой активации зависимого от напряжения и/или Ca++ тока K+, потенциал купирования стремится быть преимущественно событием гиперполяризации. Этот феномен возникает в результате свойств фильтра низких частот электрической передачи. Фактически поскоьку компоненты высоких частот быстрого пре-синаптического потенциала действия более ослаблены, чем медленный AHP, потенциал сцепления вызывает сетевой сигнал гиперполяризации, ингибируя нервную активность скорее, чем способствуя активации постсинаптических нейронов [85, 87, 89]. В коре мозжечка этот эффект участвует в десинхронизации популяции клеток Golgi, обусловленной редкими деполяризующими синаптическими входящими сигналами [90]. The role of the active membrane properties of the postsynaptic cell Electrophysiological properties of neurons Помимо пассивных свойств мембраны (тех, которые являются линейными в отношении вольтажа мембраны), возбудимые клетки, подобные нейронам, обнаруживают активные мембранные свойства, которые обеспечиваются высоко не линейными механизмами, обусловленными сложными зависимыми от времени и вольтажа процессами. Наиболее удивительным результатом активных мембранных свойств является генерация потенциала действия, в основе которого лежит классическая проводимость Na+ и K+, описанная Hodgkin и Huxley в аксонах кальмара [91]. Несмотря на эти spike-генерирующие механизмы, которые позволяют нейронам осуществлять коммуникации на большие расстояния без затухания, возбудимые клетки обычно обладают большим разнообразием подпороговых активных свойств. Эти активные механизмы вместе с пассивными свойствами и создают пути нейронов, интегрирующие в пространстве и времени распределяемые синаптические сигналы и обеспечивающие, чтобы эти сигналы транслировались или кодировались во временные серии потенциалов действия. Активные свойства мембран нейронов зависят от разновидности, плотности и распределения напряжения, оперирующих в ионных каналах на поверхности мембран разных клеточных компартментов. Центральные нейроны обладают богатым репертуаром напряжением управляемых мембранных ионных каналов, что наделяет их мощной кодирующей способностью, обеспечиваемой за счет возможности трансформировать ими входящие сигналы в сложные паттерны возбуждений (firing). В самом деле, нейроны экспрессируют десятки разных voltage, оперирующих с проводимостью мембран в соответствии с их ионной избирательностью, рангами активации, кинетики напряжения, наличия инактивации и модуляции с помощью внутриклеточных вторичных мессенджеров, принимая во внимание широкую вариабельность электрофизиологических фенотипов [92-95]. Voltage dependency of coupling potential Несмотря на ограниченную напряжением управляемую пропускную способность межклеточных каналов, обусловленную их медленной кинетикой, электрическим купированием между нейронами, д. присутствовать заметная зависимость от уровня напряжения (voltage). Однако, этот феномен не присутствует в зависимом от напряжения свойстве щелевых соединений, а вместо этого поддерживается с помощью активных свойств мембран вне соединений постсинаптических клеток. Напр., у рыб пара гигантских командных нейронов, клетки Mauthner, которые ответственны за инициацию реакции избегания, контактируют со специальным классом слуховых афферентных волокон посредством смеси электрических и химических синаптических контактов [96]. Эти электрические контакты не только делают возможной трансмиссию сигналов вперед (от афферентных волокон к клеткам Mauthner), но и таже ретроградную трансмиссию, делая возможной распространение постсинаптических деполяризаций дендритов на постсинаптические афферентные волокна. Более того, ретроградные потенциалы купирования в афферентных волокнах обнаруживают заметную зависимость от напряжения. Фактически деполяризация мембранного потенциала этих афферентных волокон вызывает драматическое повышение амплитуды потенциала сцепления, в конечном счете, достаточном для их активации и, следовательно, подкрепляет механизм латерального возбуждения, тем самым звуком возбуждаемую активацию некоторых афферентных нейронов, это может привлекать больше афферентных волокон, чтобы усиливать синаптическое действие на клетки Mauthner [97, 98]. Этот механизм умножения блокируется с помощью внеклеточного воздействия tetrodotoxin (TTX) или внутриклеточного введения QX-314, строго подтверждая участие тока Na+. Кроме того, их подпороговые уровни напряжения активации, среди прочих свойств, указывают на то, что сохранение тока натрия (INap) этих афферентных волокон и является нижестоящим механизмом их амплификации. [98].
Ток INap является не инактивируемой фракцией тока Na+, которая активируется при подпороговых значениях напряжения мембраны и практически очень хорошо приспособлена к осуществлению такой амплификации, из-за её быстрой кинетики и подпороговых рангов напряжения мембраны для активации. В головном мозгу млекопитающих сходные механизмы амплификации потенциалов купирования, использующие токи Na+, были описаны в мезэнцефалическом trigeminal (MesV) ядре крыс [99]. Эта популяция клеток купирована в основном в пары и активация одного нейрона из электрически купированной пары, дает вторичный всплеск (spikelet) в постсинаптической клетке (Fig. 1c). Этот потенциал купирования критически зависит от мембранного потенциала, усиливающимся при деполяризации постсинаптической клетки и в конечном счете запускает потенциал действия в этой клетке. Этот spikelet обнаруживает позитивную корреляцию с мембранным потенциалом постсинаптической клетки и из-за рангов его вольтажа активации и чувствительности к блокаторам натриевых каналов он обеспечивает активацию постоянного тока натрия [99]. Сходный механизм амплификации был предположен в коре мозжечка [87, 100] и таламическом ретикулярном ядре [101]. Т.о., INap обеспечивает электрическое купирование с помощью зависимой от напряжения амплификации, подтверждая участие активной мембранной проводимости в регуляции эффективности электрической трансмиссии между нейронами. Более того, такая амплификация электротонических потенциалов может быть достаточна для привлечения постсинаптических клеток, она обнаруживает тенденцию к синхронизации активности сети нейронов, подчеркивая роль активной проводимости в динамике сетей электрически купированных нейронов. Frequency selective transmission Большая часть обычной электрической трансмиссии между нейронами обнаруживает свойства фильтров низких частот, накладываемых RC circuit постсинаптической клетки. Напротив, электрическое купирование между MesV нейронами обнаруживает свойства фильтра "зональной фокусировки", когда преимущественно передаются сигналы с частотами в пределах от 50 до 80 Hz, даже лучше, чем DC сигналы (Fig. 3) [99]. Соотв., трансмиссия spikes посредством этих контактов значительно более эффективна, чем в электрических контактах между FS или LTS промежуточными нейронами неокортекса, чьи частоты переноса напоминают фильтр низких частот [86]. Это подтверждает, что электрическая передача между MesV нейронами хорошо приспособлена для трансмиссии потенциалов действия, которые в основном и составляют основной источник сигналов для купирования и способствует синхронной активации пар MesV нейронов [99].
Эта избирательность частот или характеристики полосного пропускания частот, возникают в результате резонансных свойств MesV нейронов. Резонанс является свойством, которое позволяет нейронам различать между входящими импульсами на базе своего частотного содержания, так что синаптические входящие сигналы с частотным содержанием, близким к резонансной частоте будут вызывать наибольший ответ. Резонанс возникает благодаря взаимодействию двух механизмов со специфическими свойствами диапазона частот: пассивными и активными мембранными свойствами. Как указывалось выше, пассивные свойства обусловлены ёмкостным сопротивлением параллельно с проводимостью мембраны, действуют как фильтр низких частот (чьи пороговые частоты являются набором временных констант мембраны), ослабляя реакции на входящие импульсы с высокочастотным содержимым. С др. стороны, определенная вольтаж-зависимая проводимость, которая активно противодействует изменениям в напряжении мембраны, подобная K+ токам, может обеспечивать свойства для фильтрации высоких частот (чья пороговая частота закладывается с помощью активации временной константы), ослабляя тем самым реакции на входящие импульсы с низкочастотным содержанием. Поскольку эти два механизма с противоположными свойствами фильтрации присутствуют почти в каждом типе нейронов, поэтому фильтрация низких частот, обусловленная RC circuit, являющаяся базовым свойством биологических мембран и K+ токов, является повсеместной проводимостью, но не каждый нейрон проявляет резонанс. Фактически продукция резонансного K+ тока д. активироваться медленно по сравнению с мембранной временной константой. Т.о., комбинация этих двух механизмов с соответствующими пороговыми частотами создает полосный или резонансный фильтр, способный отторгать входящие импульсы, чьи частоты лежат вне этой плосы (band) [102].
Хотя комбинация этих двух механизмов определяет частоту резонанса, его проявление обычно зависит от активации умножаемых токов. Такие токи являются важными для переворачивания резонансных токов, т.е. они умножают изменения напряжения и активируют быстро по сравнению с мембранными временными константами. Персистенция тока Na+ является примером такого умножаемого тока, чьё взаимодействие с резонансными токами усиливает резонанс. Такое предпочтение частот обеспечивает нейроны способностью генерировать спонтанные осцилляции напряжения мембраны и повторяющиеся разряды, или отвечать лучше на входящие сигналы внутри узкого промежутка частот [102]. В контексте электрической синаптической трансмиссии, резонанс д. определять, какие сигналы с частотным содержанием, близкие к резонансной частоте, будут с большей готовностью передаваться, чем др. сигналы, даже лучше, чем DC сигналы, стимулируя трансмиссию сигналов биологически важных (Fig. 3).
MesV нейроны наделены богатым репертуаром управляемой напряжением мембранной проводимости, подобной для A-типа K+ тока (IA) и INap, поддерживающей резонанс, это приводит к генерации мембранных подпороговых осцилляций вольтажа и к повторным разрядам в пределах от 50 до 100 Hz [103, 104]. Соотв., электрическая передача между MesV нейронами обладает характеристиками полосного фильтра вместо свойств классического низкочастотного фильтра [99]. Фактически оценка свойств фильтра с помощью инъекций модулирующих частоты синусоидальных колебаний токов (ZAP протоколы, Fig. 3b) и подсчета соотношения Fast Fourier Transform (FFT) изменений постсинаптических изменений одновременно с FFT изменениями пресинаптического вольтажа, показала пик в пределах 50 - 100 Hz (Fig. 3c) [99]. Т.о., функция переноса частот электрической передачей между MesV нейронами обнаруживает максимум при частотах приблизительно в 80 Hz, показывая, что трансмиссия электрических сигналов между MesV нейронами обнаруживает до некоторой степени предпочтение частоты и, следовательно, не ведет себя как простой низкочастотный фильтр [99]. В соответствии с критической ролью активных мембранных свойств в определении избирательной частоты трансмиссии в этих электрических контактах, добавление TTX (0.5 µM) к внеклеточному раствору приводит к редукции амплитуды функции переноса, особенно для значений в пределах 50-80 Hz, указывая на участие проводимости Na+. Последующее добавление 4-AP (1 mM), блокатора A-type тока среди других проводимостей K+, ещё больше модифицирует характеристики переноса, напоминая теперь свойства простого низкочастотного фильтра (Fig. 3c). Эти зависимые от напряжения проводимости не только улучшают трансмиссию в терминах амплитуды постсинаптических сигналов, но и также путем уменьшения лаг фазы между пресинаптической и постсинаптической реакцией. Следовательно, поскольку амплификация увеличивает эффективность синаптической трансмиссии, то уменьшение лаг фазы при том же самом диапазоне частот усилит её аккуратность, способствуя синхронной активации пар купированных MesV нейронов [99].
Следовательно, активные мембранные свойства нейронов могут играть критическую роль в синаптической электрической передаче, предоставляя чрезвычайно чувствительный механизм зависимой от напряжения амплификации потенциалов электрического купирования и наделяя этой модальностью коммуникации между нейронами с избирательными частотами. Более того, модуляция зависимых от напряжения проводимостей мембраны вне соединений с помощью действия нейротрансмиттеров предоставляет потенциальный источник модуляции эффективности электрической передачи.
Conclusions In spite of the relative simplicity of the gap junction and the straightforward rules that govern electrical transmission, electrical synapses formed by gap junctions are far from simple. Dynamic processes affecting the resistance of the electrical synapse and the membrane resistance of the coupled cells can alter coupling on timescales ranging from milliseconds to days. Active membrane properties of the coupled cells can selectively enhance signals with certain frequency content, imparting band-pass filter properties to the coupled network. Combined these factors endow electrical synapses with a great deal of sophistication. With their high abundance and diverse roles in neural networks throughout the CNS, electrical synapses must be considered every bit as important as chemical synapses in the expression of neural plasticity.
|