В 1898 Camillo Golgi, выдающийся итальянский врач и патолог, опубликовал замечательную статью о структуре "нервных клеток." Помимо органелл, которые до сих пор носят его имя, аппарат Golgi, он описал "изысканное покрытие", окружающее ело клетки нейрона и распространяющееся вдоль его дендритов. В тот же год др. итальянский исследователь, Arturo Donaggio, обнаружил, что эти покрытия, теперь известные как perineuronal nets (PNNs), имеют в себе отверстия, посредством которых, как он правильно предположил, окончания соседних аксонов образуют синапсы.

C тех пор, однако, PNNs были в основном заброшены учеными особенно после того, как Santiago Ram?n y Cajal, серьезный соперник Golgi (которые позднее вместе получили Нобелевскую премию), отверг их как гистологический артефакт. Это продлилось вплоть до 1970s, когда благодаря улучшению гистологической техники и развитию иммуногистохимии, исследователи подтвердили существование PNNs вокруг некоторых типов нейронов головного мозга и спинного мозга у многих видов позвоночных, включая человека.

Состоящие из молекул внеклеточного матрикса (ECM), PNNs образуются во время постнатального развития, маркируя конец т. наз. "критического периода" подчеркивая пластичность головного мозга. После рождения внешняя среда оказывает выраженное воздействие на нейрональные связи, а значит и на развитие навыков и поведения организма, такие как язык, преобразование чувственных восприятий и эмоциональные свойства. Но во время детства и созревания нервные сети становятся более фиксированными, позволяя индивидам сохранять приобретенные функции. Полученные доказательства указывают на то, что PNNs вносят вклад в закрепление многих областей головного мозга путем стабилизации существующих контактов между нейронами и отталкивания приближающихся аксонов.

Из-за ограничения нейрональной пластичности, лежащей в основе необратимости многих нарушений ЦНС от инсультов и повреждений спинного мозга до нейродегенеративных болезней, PNNs стали рассматривать как важные мишени для усиления репарации ЦНС. Более того, они постоянно оказывались важными игроками в регуляции процессов запоминания.

Исследователи стали рассматривать PNNs в качестве потенциальных мишеней для усиления пластичности при лечении различных болезней, от амблиопии и нейродегенеративных болезней до психиатрических нарушений, таких как шизофрения и наркомания.

PNNs могут также играть поддерживающую роль в нормальном функционировании ЦНС. Эти оболочки постоянно обнаруживали вокруг чрезвычайно активных нейронов и исследователи предположили, что эти структуры составляют забуференное, негативно заряженное окружение, контролирующее диффузию ионов, таких как натрий, калий и кальций, обеспечивая тем самым быстрый обмен катионами для поддержания нейрональной активности.¹ PNNs, как было установлено, защищают также нейроны от оксидативных стрессов, т.к. они ограничивают вредные эффекты избыточных реактивных видов кислорода на функцию и жизнеспособность нейронов. Действительно, ферментативная деградация PNNs делает нейроны более чувствительными к оксидативным стрессам.²

Значительный прогресс был достигнут в последние 20 лет в отношении выяснения структурных и функциональных свойств PNNs, подчеркнув их роль в пластичности ЦНС и развитии методов манипуляций с ними для усиления пластичности, памяти и репарации ЦНС. Но до сих пор в точности неизвестно, как работает PNNs в головном мозге и какие в точности механизмы лежат в осное их ремоделирования физиологических или патологических условий. PNNs and the plastic brain

MISH MASH MESH: Клетка из спинного мозга собак, окрашенная Carlo Besta в 1910 и повторно воспроизведенная в Trends in Neurosciences in 1998 (21:510-15). PNN's это полигональные видимые единицы.

Роль PNNs' в завершении критического периода пластичности головного мозга теперь хорошо известна. В 2010, напр., нами было показано, что нокаутные мыши, лишенные компонента PNN, наз. связующим белком, приводит к снижению образования PNNs, при этом они сохраняют ювенильный уровень пластичности в течение взрослого периода ^.3

Др. пример получен на крысах с амблиопией, нейродегенеративным заболеванием, возникающим в результате дисбаланса между нейрональными сигналами, исходящими от двух глаз во время критического периода формирования зрения. Сигналы от правого и левого глаз конкурируют, когда они впервые сходятся на нейронах первичного зрительного кортекса, приводя к физиологической и анатомической репрезентации в кортексе равного представительства сигналов от каждого из глаз. Если один глаз подавляется в отношении передачи зрительных сигналов - напр., из-за врожденной катаракты - то индивиды будут страдать от нарушения представительства в коре от этого глаза и от избыточной представленности сигналов от здорового глаза, приводя в результате к нарушению зрения. У взрослых, когда критический период будет завершен, зрение останется дефектным, даже если вылечить причину абилиопии. Удаление PNNs из зрительного кортекса у взрослых крыс, однако, может оказаться эффективным для лечения амблиопии.⁴

В определенных условиях, таких как обогащенная средовая стимуляция, головной мозг взрослых может снова достигать определенных уровней пластичности, и здесь снова PNNs, по-видимому, оказываются важными медиаторами. Амблиопия у взрослых крыс, выращиваемых в клетках с богатым содержанием игрушек, лестниц и вращающихся колес, обнаруживает уменьшение PNNs в зрительном кортексе и восстанавливает нормальную остроту зрения после 2-3-х недель в этих условиях в отсутствии др. лечения.⁵ В 2016, мои коллеги и я задокументировали сходные связи между PNNs и пластичностью в вестибулярной системе, которая определяет положение головы и ускорения, стабилизирует взгляд и осанку и вносит вклад в восприятие собственного перемещения. Мыши, страдающие от стойких повреждений вестибулярных рецепторов внутреннего уха, обнаруживают тяжелый дефицит в своей осанке и балансе, которые устраняются со временем. Подобное улучшение происходит вместе с первоначальным снижением PNNs в областях ствола головного мозга, которые регулируют вестибулярные функции, что сопровождается полным восстановлением PNNs после исправления осанки и баланса.⁶

Помимо этих примеров восстановления сенсорного дефицита, головной мозг взрослых обнаруживает тенденции к пластичности во время обычного обучения, а недавние доказательства подчеркивают роль PNNs в формировании удержании памяти. У грызунов полностью развитая память - информация, которая может быт сознательно осознана - может быть оценена с помощью нового теста распознавания объектов: когда животные подвергаются воздействию обычных и новых объектов, то они затрачиваю больше времени, исследуя новые объекты. Такого типа память нуждается в синаптической пластичности в специфической области горы головного мозга. Мутантные мыши, лишенные связующих белков и тем самым обладающие низким уровнем PNNs, обнаруживают длительную память в отношении обычных объектов, а деградация PNN благодаря воздействию бактериального фермента chondroitinase ABC дает сходные результаты. В обоих случаях, удаление PNNs облегчает индукцию синаптической пластичности.⁷

Помимо сопротивления запоминанию, PNNs могут быть также обвинены в блокировании деструкции памяти. В то время как у молодых индивидов может постоянно стираться память о страхах путем тренировок по её угасанию - форма обучения, связанная с ассоциациями страхов - индуцирующая стимулы с нейтральными сценариями - закрепляет у взрослых поведение при страхах, которое устойчиво к стиранию. Такое поведение зависит от amygdala, где PNNs присутствуют у взрослых, но не у молодых, животных. Интересно, что у взрослых мышей деградация PNN в amygdala с помощью chondroitinase ABC открывает повторно период, во время которого память о страхах может быть полностью стерта с помощью тренировок по их угасанию.⁸ Кроме того, PNNs в разных кортикальных областях, как было установлено, оказываются важными для хранения памяти о страхах, тогда как их удаление приводит к нарушению такой памяти.^9,10

Сегодня chondroitinase ABC широко используется для удаления PNNs у экспериментальных животных, но она лишена специфичности, вызывает деградацию молекул ECM не только в PNNs , но и во всей ткани ЦНС. Исследователи разыскивают более пригодные способы для манипуляций с PNN у животных моделей, чтобы ещё более понять их функцию в тонко-управляемой нейрональной пластичности. Кроме того, поскольку в исследованиях поведения четко продемонстрирована роль PNNs в обеспечении пластичности головного мозга, но исследователи до сих пор не улавливают молекулярные детали этого процесса.

Ряд молекул ECM присутствует в более высоких концентрациях в PNN, чем в остальном внеклеточном пространстве. Sugar hyaluronan служит в качестве остова стрктуры PNN. Связаны с гиалуронаном hyaluronan chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs). Эти связи стабилизируются с помощью белков сцепления. CSPGs состоят из стержневого белка и прикрепленных к нему сахарных цепочек, создающих специфические сайты связывания для широкого круга разнообразных молекул и рецепторов, влияющих на функцию CSPG. (See illustration below.)

Одним из механизмов, с помощью которого PNNs контролируют нейрональную пластичность, является взаимодействие между CSPGs и гомеопротеином Otx2. Гомеопротеины являются транскрипционными факторами, которые играют главную роль во время эмбрионального развития, контролируя организацию головного мозга позвоночных в определенных регионах. Многие гомеопротеины служат также в качестве паракринных сигнальных факторов, которые снуют между клетками. У мышей экспериментальное уменьшение отлавливания Otx2 с помощью нейронов зрительного кортекса, которое осуществляется путем связывания с CSPGs, снижает сборку PNN, увеличивает пластичность и вызывает восстановление остроты зрения у взрослых животных с амблиопией.¹¹ Исследования последних лет продемонстрировали роль Otx2's в регуляции влияния PNNs' на зависимое от жизненного опыта формирование tonotopic карт, т.е. пространственное расположение нейронов в соответствии с их реакциями на звуковые частоты в первичном звуковом кортексе и на возникновение акустических предпочтений (которые обеспечиваются медиальной частью префронтальной коры).¹² THE STRUCTURE OF THE PNN: The PNN is composed of chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs), which are made of a core protein (blue) flanked by a number of sugar chains (dark purple). CSPGs bind to hyaluronic acid (pink balls), which is secreted by membrane-bound enzymes. Link proteins (orange) stabilize the interaction between hyaluronic acid and CSPGs. Sema3A and Otx2 (pink pyramid and red ball, respectively) bind to the sugar chains of the CSPGs. Tenascin-R (green) acts as a cross-linking protein among several CSPGs, contributing to the macromolecular assembly of the PNN.

аж Др. потенциальным медиатром контролируемой PNN пластичности является молекула наведения аксонов Semaphorin 3A, CSPG-связывающая молекула, которая концентрируется на высоком уровне в PNNs разных популяций нейронов в головном мозге взрослых. Недавние эксперименты показали, что нейроны, культивируемые на PNN сахарах дают более короткие нейриты и что это ингибирование усиливается в присутствии Semaphorin 3A.¹³ Но эффект связывания Semaphorin 3A с PNNs ещё предстоит определить. PNNs могут также действовать благодаря прямым взаимодействиям с рецепторами для CSPGs на нейронах, как это происходит после повреждений ЦНС, при которых CSPGs активируются в месте повреждения, подавляя повторный рост аксона путем соединения со специфическими рецепторами. Однако, пока нет четких доказательств присутствия рецепторов CSPG на нейронах или синапсах, несущих PNN. Хотя механизмы, которые позволяют PNNs влиять на нейрональную пластичность остаются неясными, эффекты. которые влияют хорошо известны. Исследователи обращаются к PNNs как к потенциальным мишеням для усиления пластичности при лечении различных болезней, от амблиопии и нейродегенеративных болезней до психиатрических нарушений, таких как шизофрения и наркомания.

В соответствии с находками, показавшими роль PNNs в памяти, растут доказательства участия PNNs в памяти, подкрепляемой лекарствами. Внешнесредовые сигналы прежде всего ассоциированные с использованием лекарств (such as people or situations) могут становиться сильными триггерами для зависимого от лекарств поведения, внося вклад в возникновение зависимости. Поэтому разрушение этих ассоциаций может иметь целью лечение зависимости.

Исследования на грызунах показали, что PNNs в дорсальной части коры мозжечка могут играть важную роль в формировании и поддержании ассоциированной с кокаином зависимости (memories),¹⁴, а в префронтальной коре PNNs снижаются после самолечение героином, но быстро увеличиваются после повтороного воздействия связанных с героином сигналов.¹⁵ Напротив, деградация PNNs в префронтальной коре снижает приобретение и поддержание зависимости от кокаина у крыс,¹⁶ тогда как деградация PNN в amygdala после экспозиции морфина, кокаина или героина ингибирует рецидивы у животных.¹⁷ В целом, PNNs, по-видимому, необходимы для создания и, или поддержания связанной с лекарствами зависимости и поэтому может служить в качестве мишени для ослабления зависимости, которая управляет рецидивами.

Экспериментальное деградирование PNNs является перспективным в лечении разных форм повреждений головного мозга. Исследования на грызунах продемонстрировали, что деградация PNNs с помощью chondroitinase вызывает образование новых веточек аксонов и синапсов, напр., и улучшает специфические функции после инсульта, травмы и повреждений спинного мозга.¹⁸ А мыши, моделирующие болезнь Алцгеймера, у которые нарушено формирование памяти, инъекции chondroitinase в головной мозг могут успешно восстанавливать способность к формированию новой памяти, даже в присутствии диффузных нейрональных дисфункций клеточной гибели.¹⁹

Иногда не столько присутствие PNNs, составляют проблему, а скорее аберрации в их структуре. Напр., исследователи наблюдали снижение плотности PNNs, или PNNs с деградированной морфологией, в областях головного мозга, ответственных за сложные познавательные функции, такие как фронтальный кортекс и entorhinal кортекс, у субъектов с болезнью Алцгеймера, указывая тем самым, что нейрны с альтерациями PNN могут быть уязвимы для клеточной гибели. BUNDLED UP: PNNs, visualized by immunostaining, wrap around cells in a mouse brain.

аж PNNs have been observed in the postmortem brains of schizophrenia patients-specifically, in regions involved in emotion-related learning and associative sensory information processing such as the amygdala, entorhinal cortex, and prefrontal cortex. Researchers have linked mutations in the genes encoding CSPGs, Semaphorin 3A, and other components of the normal ECM such as integrins and remodeling enzymes to schizophrenia risk. Loss of PNNs may render neurons more susceptible to the excitotoxic effects of oxidative stress believed to occur in schizophrenia.²⁰

Некоторые др. психиатрические нарушения были также связаны с аномалиями PNN. Напр., генетические исследования идентифицировали несколько ECM- и PNN-регулируемых молекул, включая Semaphorin 3A, поверхностный рецептор hyaluronan CD44, и Otx2, в качестве потенциальных вкладчиков в этиологию аутизма. Посмертные исследования пациентов с биполярными расстройствами выявили заметное снижение специфических сахаров и белков, ассоциированных с PNNs в amygdala. Учеными было также предположено, что вариант гена, кодирующего CSPG neurocan может служить фактором риска этого нарушения. Соотв., neurocan нокаутные мыши обнаруживали поведение, сходное с таковым у маньяков. Более того, повышенные уровни энзимов, деградирующих матрикс, по-видимому, появляются в выборках крови у субъектов с сильной депрессией, биполярными нарушениями в депрессивном состоянии, с шизофренией и аутизмом.²⁰

Ещё одно нарушение головного мозга, которое может быть связано с состоянием PNNs, является эпилепсия, котора характеризуется аномальными паттернами нейрональной активности, которые вызывают конвульсии, необычные эмоции и ощущения и потерю сознания. PNNs снижены у животных, моделирующих эпилепсию, это, по-видимому, вызывает реорганизацию синапсов, такую, что происходят во время судорог. Напротив, аномалии PNN могут вносить вклад в чувствительность к судорогам. Еапр., усиление эпилептической активности обнаруживается у мышей, лишенных энзима, который помогает синтезировать гиалуронан.²⁰

Хотя многие вопросы остаются нерешенными, исследователи четко продемонстрировали, что целенаправленное воздействие на PNNs позволяет надеяться на открытие лечения некоторых болезней головного мозга. Пока нет соединений, которые бы целенаправленно воздействовали на PNNs, но ученые работают над обнаружением специфических компонентов PNN. Хотя находки неинвазивных путей для точного целенаправленного воздействия на PNNs в специфических областях головного мозга человека всё ещё составляют проблему, исследователи полны надежд.

1. W. Härtig et al., "Cortical neurons immunoreactive for the potassium channel Kv3.1b subunit are predominantly surrounded by perineuronal nets presumed as a buffering system for cations," Brain Res, 842:15-29, 1999. 2. J.-H. Cabungcal et al., "Perineuronal nets protect fast-spiking interneurons against oxidative stress," PNAS, 110:9130-35, 2013. 3. D. Carulli et al., "Animals lacking link protein have attenuated perineuronal nets and persistent plasticity," Brain, 133:2331-47, 2010. 4. T. Pizzorusso et al., "Structural and functional recovery from early monocular deprivation in adult rats," PNAS, 103:8517-22, 2006. 5. A. Sale et al., "Environmental enrichment in adulthood promotes amblyopia recovery through a reduction of intracortical inhibition," Nat Neurosci, 10:679-81, 2007. 6. A. Faralli et al., "Modifications of perineuronal nets and remodelling of excitatory and inhibitory afferents during vestibular compensation in the adult mouse," Brain StructFunct, 221:3193-209, 2016. 7. C. Romberg et al., "Depletion of perineuronal nets enhances recognition memory and long-term depression in the perirhinal cortex," J Neurosci, 33:7057-65, 2013. 8. N. Gogolla et al., "Perineuronal nets protect fear memories from erasure," Science, 325:1258-61, 2009. 9. S.B. Banerjee et al., "Perineuronal nets in the adult sensory cortex are necessary for fear learning," Neuron, 95:169-79, 2017. 10. E.H. Thompson et al., "Removal of perineuronal nets disrupts recall of a remote fear memory," PNAS, 115:607-12, 2018. 11. M. Beurdeley et al., "Otx2 binding to perineuronal nets persistently regulates plasticity in the mature visual cortex," J Neurosci, 32:9429-37, 2012. 12. H.H.C. Lee et al., "Genetic Otx2 mis-localization delays critical period plasticity across brain regions," Mol Psychiatry, 22:680-88, 2017. 13. F. de Winter et al., "The chemorepulsive protein Semaphorin 3a and perineuronal net-mediated plasticity," Neural Plast, 2016:3679545, 2016. 14. M. Miquel et al., "Have we been ignoring the elephant in the room? Seven arguments for considering the cerebellum as part of addiction circuitry," NeurosciBiobehav Rev, 60:1-11, 2016. 15. M.C. Van den Oever et al., "Extracellular matrix plasticity and GABAergic inhibition of prefrontal cortex pyramidal cells facilitates relapse to heroin seeking," Neuropsychopharmacology, 35:2120-33, 2010. 16. M. Slaker et al., "Removal of perineuronal nets in the medial prefrontal cortex impairs the acquisition and reconsolidation of a cocaine-induced conditioned place preference memory," J Neurosci, 35:4190-202, 2015. 17. Y.-X. Xue et al., "Depletion of perineuronal nets in the amygdala to enhance the erasure of drug memories," J Neurosci, 34:6647-58, 2014. 18. D. Wang, J. Fawcett, "The perineuronal net and the control of CNS plasticity," Cell Tissue Res, 349:147-60, 2012. 19. S. Yang et al., "Perineuronal net digestion with chondroitinase restores memory in mice with tau pathology," ExpNeurol, 265:48-58, 2015. 20. H. Pantazopoulos, S. Berretta, "In sickness and in health: Perineuronal nets and synaptic plasticity in psychiatric disorders," Neural Plast, 2016:9847696, 2016.