Посещений:
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОГЛИЯ-СИНАПСЫ

Роль и следствия

The “quad-partite” synapse: Microglia-synapse interactions in the developing and mature CNS
Dorothy P. Schafer, Emily K. Lehrman, Beth Stevens
Glia Special Issue: Microglia Volume 61, Issue 1, pages 24–36, January 2013

Microglia are the resident immune cells and phagocytes of our central nervous system (CNS). While most work has focused on the rapid and robust responses of microglia during CNS disease and injury, emerging evidence suggests that these mysterious cells have important roles at CNS synapses in the healthy, intact CNS. Groundbreaking live imaging studies in the anesthetized, adult mouse demonstrated that microglia processes dynamically survey their environment and interact with other brain cells including neurons and astrocytes. More recent imaging studies have revealed that microglia dynamically interact with synapses where they appear to serve as “synaptic sensors,” responding to changes in neural activity and neurotransmitter release. In the following review, we discuss the most recent work demonstrating that microglia play active roles at developing and mature synapses. We first discuss the important imaging studies that have led us to better understand the physical relationship between microglia and synapses in the healthy brain. Following this discussion, we review known molecular mechanisms and functional consequences of microglia-synapse interactions in the developing and mature CNS. Our current knowledge sheds new light on the critical functions of these mysterious cells in synapse development and function in the healthy CNS, but has also incited several new and interesting questions that remain to be explored. We discuss these open questions, and how the most recent findings in the healthy CNS may be related to pathologies associated with abnormal and/or loss of neural circuits.


Рисунки к статье


Evidence for synaptic stripping by cortical microglia
Bruce D. Trapp, Jerome R. Wujek, Gerson A. Criste, Walid Jalabi, Xinghua Yin, Grahame J. Kidd, Stephen Stohlman, Richard Ransohoff
Glia Volume 55, Issue 4, pages 360–368, March 2007

Проведенные исследования описывают существенную демиэлинизацию и активацию микроглии в коре головного мозга у пациентов со множественным склерозом. В данном сообщении мы описываем фокальное кортикальное воспаление, вызванное stereotaxic инъекцией убитых бактерий (BCG), спустя мес. повле подкожного введения того же самого антигена, протокол, который преодолевает иммунную привилегию коры. Введение в головной мозг BCG вызывало фокальную активацию микроглии в месте инъекции (острое повреждение). Спустя 10 дней обнаруживались периферические нарушения (наз. иммунной реакцией обусловленные повреждения), вблизи места инъекуии обнаруживались крупные области и высокая плотность активированной микроглии. В обоих примерех активированная микроглия и/или откостки клеток микроглии тесно примыкали к перикариям (perikarya) нейронов и верхушкам дендритов. В случае повреждений, вызыванных иммунной реакцией ~45% синапсов аксонов устранялось активированной микроглией. После активации, следовательно, кортикальная микроглия мигрирует к и освобождает (strip) синапсы от перикария нейронов. Раздевание синапсов с помощью активированной микроглии может иметь значение для защиты нейронов. Один из хемокинов, MCP-1 наиболее вероятный кандидат на роль молекул, привлекающих клетки ми кроглии к нейронам. Он экспрессируется и нейронами и астроцитами и участвует в адгезии, миграции и активации иммунных клеток. Мыши, дефицитные по MCP-1 (Lu et al., 1998), демонстрируют строгую активацию микроглии в повреждениях коры, вызыванных иммунной реакцией.
Рисунки к статье


Прошло почти 100 лет с тех пор, как была выдвинута концепция микроглии в ЦНС у здоровых млекопитающих Pio del Rio Hortega (del Rio-Hortega,1932). Но до сих пор мало известно относительно роли этих мистических клеток в нормальной ЦНС. Огромное большинство исследований сфокусировано на роли микроглии в контексте болезней, при которых они обнаруживают экстраординарную способность быстро отвечать и осуществлять широкий круг функций, такие как защита поврежденных мест, фагоцитирование клеточного материала и высвобождение воспалительных сигналов, чтобы инициировать и/или распространить иммунные реакции (Hanisch and Kettenman, 2007; Kreutzberg, 1996; Ransohoff and Perry, 2009). Благодаря этим быстрым и мощным реакциям на повреждения и болезни ЦНС микроглия оказывается интересным кандидатом для разработки диагностических и терапевтических стратегий, эти качества делают также микроглию трудной для изучения в контексте здорового головного мозга. Культуральные модели, такие как диссоциированные клетки и срезы головного мозга могут воспроизводить повреждения, возникающие в результате "активации" микроглии, такие клеточные состояния в большинстве своем ассоциированы с повреждениями, которые характеризуются морфологическими характеристиками, очень сильно напоминающими периферические макрофаги (amoeboid, rod-like, etc.) также как и функциональные изменения, такие как повышенная способность к фагоцитозу, хемотаксису, пролиферации и экспрессии провоспалительных молекул (Kettenmann et al.,2011; Ransohoff and Perry,2009). Т.о., поскольку исследования in vitro ценны для понимания некоторой базовой биологии, то стратегии in vivo д. быть также использованы для понимания функции этих клеток в контексте здоровой интактной ЦНС.
В 2000, созданы трансгенные мыши, которые делают возможной визуализацию микроглии с помощью EGFP (CX3CR1+/EGFP) (Jung et al.,2000). Эти мыши в комбинации с новой технологией получения изображений головного мозга вживую, двухфотонной микроскопии анестезированных мышей привели к важным находкам в 2005. Два исследования использовали a thin-skulled транскраниальный подход и продемонстрировали, что несмотря на свое имя "покоящаяся" микроглия в здоровой, взрослой коре головного мозга она была динамичной, в постоянном исследовании её внеклеточного окружения (Davalos et al.,2005; Nimmerjahn et al.,2005). Time-lapse изображения выявили, что микроглия быстро выпускает и оттягивает обратно свои отростки в течение минут, тогда как клеточные тела оставались стационарными. Фактически в течение нескольких часов отростки микроглии оказывались способными проверить всю паренхиму головного мозга и физически взаимодействовать с др. кортикальными клетками, включая астроциты и нейроны (Nimmerjahn et al.,2005). Эти ключевые находки озадачили, какова функция микроглии в нормальном головном мозге?

IMAGING INTERACTIONS BETWEEN MICROGLIA AND SYNAPTIC CIRCUITS


Эти пионерские исследования заложили основу для большинства работ, сконцентрированных на взаимодействиях между микроглией и синапсами в ответ на спонтанные и сенсорными восприятиями управляемые изменения активности нейронов.

Imaging the Effects of Neurotransmission on Microglial Dynamics


In vitro препараты микроглии демонстрируют, что микроглия обладает способностью экспрессировать рецепторы для и реагировать на нейротрансмиттеры, такие как ацетилхолин, gamma-aminobutyric acid (GABA), глютамат и purinergics, включая adenosine-5'-triphosphate (ATФ). такие исследования продемонстрировали, что нейротрансмиттеры могут влиять на микроглию in vitro многими способами, включая изменения мембранного потенциала, внутриклеточного кальция, высвобождение цитокинов и общую клеточную подвижность (Biber et al.,2007; Kettenmann etal.,2011; Pocock and Kettenmann,2007). Эти оригинальные исследования и некоторые исследования изображений вживую продемонстрировали способность микроглии быстро реагировать и менять свою динамику в ответ на нейротрансмиттеры.
Среди множества нейротрансмиттеров, как известно, способных вызывать эффект in vitro и in vivo сходным образом было продемонстрировано, что АТФ является одним из наиболее мощных сигналов для вызывания реакций микроглии (Farber and Kettenmann,2006; Inoue et al.,2007). В 2005, Davalos et al. продемонстрировали, что пуринергическая передача сигналов увеличивает базовую подвижность микроглии in vivo. У анестезированных мышей авт. применяли или apyrase, которая гидролизует АТФ и АДФ, или фармакологические блокаторы полуканалов щелевых соединений (carbenoxolone или flufenamic acid) к поверхности коры и отслеживали картины вживую (Davalos etal.,2005). Во всех примерах нарушение АТФ-зависимой передачи сигналов приводило к снижению базовой скорости испускания и отдергивания отростков микроглии. Сравнительно недавно, используя мышей, несущих делецию в пуринергическом рецепторе P2Y12 or A2A, было продемонстрировано in vitro и in vivo, что пурнергическая передача сигналов посредством этих рецепторов может обеспечить выпячивание микроглиальных отростков и хемотаксис (P2Y12) или ретракцию (A2A), в ответ на локальное воздействие нуклеотида или lipopolysaccharide (LPS), мощного активатора микроглии (Haynes et al.,2006; Orr et al.,2009). Однако остается определить, может ли пуринегрическая передача сигналов регулировать микроглию при более базовых, физиологических условиях в отсутствие локального воздействия нуклеотида или LPS. Интересно, что недавние исследования картин вживую с использованием ex vivo ретинальных эксплантов показали, что глютаматергическая передача увеличивает подвижность микроглии косвенно посредством усиленного высвобождения АТФ в ответ на возбуждение нейрона, эти данные подтверждают роль АТФ в регуляции динамики микроглии при более базовых условиях (Fontainhas et al.,2011).
Подобно пуринергической и глютаматергической передаче сигналов ингибирующая нейротрансмиссия также участвует в регуляции динамики микроглии. В том же самом исследовании ex vivo в сетчатке, описанном выше, ингибирующий нейротрансмиттер, GABA, снижал подвижность отростков микроглии и общую скорость, тогда как антагонист GABAA рецептора, bicuculline, повышал подвижность и скорость. Эти данные сходны с in vivo работой Nimmerjahn et al. (2005), которые также показали, увеличение подвижности после применения bicuculline; однако общая скорость оставалась неизменной, это демонстрирует, что существуют различия между ex vivo и in vivo экспериментами и/или анализируемой областью (напр., сетчатка или кора).
В целом исследования, рассмотренные выше, подтверждают, что повышенная возбуждающая нейротрансмиссия и пуринергическая передача сигналов могут вызывать увеличение подвижности отростков микроглии, тогда как ингибирующая нейротрансмиссия может снижать эту подвижность. Напротив, одно недавно опубликованное исследование Grinberg et al. (2011) с использованием in vitro срезов гиппокампа, чтобы оценить динамику микроглии в ответ на распространение депрессии, подтвердило, по-видимому, противоположный результат. Когда long term potentiation (LTP) была индуцирована увеличением cyclic adenosine monophosphate (cAMP), то повышенная нейральная трансмиссия вызывала снижение движений микроглии (Grinberg et al.,2011). Напротив, блокада активности с помощью tetrodotoxin (TTX) приводила к увеличению движений и к восстановлению активности, при этом глютамат или АТФ впоследствии снижали активность. Однако эти результаты могут отражать in vitroприроду этой выборки preparation, региональные различия в нейротрансмиссии (напр., гиппокамп в противовес сетчатке и коре), региональную гетерогенность микроглии и/или различия в парадигмах стимуляции (напр., cAMP, TTX ± глютамат или АТФ в противовес непосредственному действию нейротрансмиттеров или антагонистов).
Несмотря на расхождения становится ясно, что микроглия чувствительна к изменениям в нейротрансмиссии и что нейротрансмиттеры могут оказывать прямые и быстрые эффекты на общую динамику этих клеток. Необходимы дальнейшие исследования по выяснению природы реакций микроглии на возбуждающую и ингибирующую нейротрансмиссию, а также по идентификации, обладают ли эти эффекты региональной специфичностью.

Imaging Physical Interactions Between Microglia and Synapses


Исследования изображений, описанные выше, показали, что микроглия может быстро менять свою динамику в ответ на нейротрансмиссию. Чтобы лучше понять, как микроглия может физически взаимодействовать с синапсами в примерах известных изменений активности нейронов и индукции синаптического ремоделирования, недавно были предприняты работы по получению двухфотонных картин вживую у анестезированных мышей, которые экспрессировали флюоресцентные белки в микроглии и нейронах (Tremblay,2012). Сначала исследовали изображения, чтобы охарактеризовать физические взаимодействия между микроглией и синаптическими элементами in vivo, используя двухфотонное time-lapse получение изображений и трансгенных мышей, экспрессирующих EGFP как в микроглии, так и нейронах (Iba-1-EGFP/Thy1-EGFP M line) (Feng et al.,2000; Hirasawa et al.,2005; Wake et al.,2009). Эти исследования выявили, что отростки микроглии кратковременно (~5 min) контактируют с синаптическими элементами в слоях II-III соматосенсорного и зрительного кортекса со скоростью ~1 структура в час и что отростки микроглии, по-видимому, увеличивались как только контактировали с пресинаптическими окончаниями. После этих базовых измерений авт. исследовали, как изменения нейральной активности могут влиять на физические взаимодействия между микроглией и синаптическими элементами. Используя три независимых метода для понижения нейральной активности (энуклеацию, применение ретинального TTX или уменьшение температуры тела), авторы наблюдали, что микроглиальные отростки втягиваются и образуют меньше контактов с менее активными пресинаптическими окончаниями внутри коры. Эти данные находятся в несогласии с ранее опубликованной работой, демонстрирующей отсутствие изменений в подвижности микроглии в ответ на прямое воздействие на кору TTX in vivo (Nimmerjahn etal.,2005) или повышение микроглиальных движений в ответ на применение TTX in vitro к препаратам срезов (Grinberg et al.,2011). Однако эти расхождения могут быть легко объяснены методом воздействия TTX, региональными отличиями и/или in vivo в противовес in vitro preparations. Для дальнейшей оценки взаимодействий между микроглией и синапсами, Wake et al. (2009) вызывали ишемические повреждения с помощью фотохимической закупорки средней церебральной артерии. Используя этот образец, авт. продемонстрировали, что в этих условиях микроглиальные контакты с пресинаптическими структурами были продолжительнее и часто сопровождали или следовали за исчезновением этих структур. Эти данные подтверждают потенциальную функцию микроглии по удалению синапсов, подвергающихся, скорее всего, вызванному повреждениями ремоделированию.
Чтобы понять, в самом деле. играет ли микроглия роль в ремоделировании синапсов в большинстве физиологических условий, Tremblay et al., оценивали in vivo изменения взаимодействий микроглия-синапсы в развивающемся первичном визуальном кортексе (V1) мышей (Tremblay et al.,2010). Это исследование оказалось способным получить лучшее пространственное разрешение, чем предыдущие исследования путем комбинирования высокого разрешения 3D серийной электронной микроскопии (3D serial EM) с двухфотонным получением транскраниальных изображений. В дополнение и противоположность Wake et al. (2009), Tremblay et al. (2010) оказались способны лучше различать процессы, относящиеся к микроглии по сравнению с нейронами, используя трансгенную линию мышей, экспрессирующую EGFP в микроглии и YFP в нейронах (CX3CR1+EGFP/Thy-1 YFP). Более того, чтобы оценить больше физиологических взаимодействий между микроглией и синапсами, Tremblay et al. (2010) использовали критический период в зрительной системе мышей, чтобы оценить сенсорные индуцированные навыками изменения во взаимодействиях микроглия-синапсы (Gordon and Stryker,1996; Tremblay et al.,2010). Во время этого особого периода в развитии визуального кортекса [постнатальный день 21-30 (P21-30) у мышей], развиваются некоторые аспекты зрительного восприятия (напр., направленная избирательность, доминирование одного из глаз и т.д.) и ассоциируют с изменениями в динамике, размерах и количестве шипов (spine) (Bence and Levelt,2005; Hooks and Chen,2007; Majewska and Sur,2003). Во время пика этого периода (P28), изображения высокого разрешения демонстрируют, что микроглия слоя II в V1 обычно контактирует с шипами, синаптическими окончаниями и синаптической щелью (Tremblay et al.,2010). Важно, что это исследование впервые выявил, что шипы часто изменяются в размерах после контакта с микроглией, эти данные подтверждают, что микроглия может быть ключевым регулятором структурной пластичности шипов. В соответствии с этой идеей авт. отметили, что шипы, которые изменяются в размерах после контактов с микроглией обнаруживают тенденцию быть меньше и во время более поздних сессий получения изображений часто элиминируются. Эти данные открывают интригующую возможность, что микроглия может обусловливать элиминацию шипов в ответ на сенсорные восприятия и указывает на один из возможных механизмов фагоцитоза.
Идея, что глиальные клетки могут быть фагоцитирующими устройствами (circuits), подвергающимися активному ремоделированию, была подтверждена в более ранних исследованиях на грибовидных телах Drosophila и на нейромышечных соединениях (NMJ) млекопитающих (Freeman,2006; Mallat et al.,2005). У развивающихся Drosophila, глиальные клетки поглощают аксоны нейронов грибовидных тел, обусловливая анатомическую обрезку (Awasaki and Ito, 2004; Watts et al., 2004). Кроме того, в системах млекопитающих Шванновские клетки фагоцитируют остатки аксонального древа (т.e., "axosomes"), обусловливая обрезку в развивающихся NMJ (Bishop et al.,2004). В согласии с этими данными, глия, как было установлено, поглощает дестабилизированные синаптические бутоны и пресинаптический дебрис в развивающихся NMJ дрозофилы (Fuentes-Medel et al.,2009). Однако за исключением ранних работ, подтверждающих, что микроглия и астроциты могут поглощать обломки аксонов во время крупномасштабного кортикального обрезания веточек (Berbel and Innocenti,1988), очень мало было известно относительно обусловленного глией фагоцитоза развивающихся синапсов ЦНС млекопитающих, подвергающихся локальному, низко-масштабному ремоделированию. Т.о., чтобы далее оценить физическое взаимодействие между микроглией и ремоделированием синапсов ЦНС, Tremblay et al. использовали образец темновой адаптации, при котором ювенильные мыши помещались в темноту на 6 дней во время критического периода зрительной системы (Tremblay et al.,2010). В некоторых случаях мыши затем были повторно экспозированы светом в течение 2-х дней, эта парадигма, как известно, выявляет ремоделирование синапсов в V1 (Mower et al.,1983; Philpot et al.,2001; Tropea et al.,2010; Viegi et al.,2002). Хотя микроглия в V1 контактирует с синапсами сходным образом у адаптировавшихся к темноте мышей ± воздействие света как и в нормальных условиях экспозиции светом мышей, авт. предоставили новые доказательства, что микроглия имеет больше фагоцитированных включений после темновой адаптации + воздействия светом, которые напоминают пре- и постсинаптические элементы. В соответствии с этими данными недавнее исследование той же группы продемонстрировало зависимое от возраста увеличение фагоцитированных включений, напоминающих пре- и постсинаптические элементы или в V1 или primary auditory cortex (A1) в ассоциации с зависимой от возраста потерей зрения или слуха, соотв. (Tremblay et al.,2012). Более того, др. недавнее исследование с использованием stimulated emission depletion microscopy and postembedding EM для оценки микроглией обусловленного фагоцитоза синапсов в развивающемся гиппокампе (Paolicelli etal.,2011), предоставило дальнейшее объяснение, что микроглия может поглощать ремоделируемые синаптические элементы.
Данные, представленные выше, подтверждают, что микроглия фагоцитирует синаптические элементы и что это взаимодействие может лежать в основе синаптического ремоделирования в ответ на изменения в сенсорном восприятии. Чтобы яснее понять, действительно ли микроглия фагоцитирует синапсы, подвергающиеся зависимому от активности ремоделированию, мы недавно оценивали фагоцитоз в системе, в которой зависимое от активности ремоделирование синапсов был очень хорошо охарактеризовано (Schafer et al.,2012): в постнатальной retinogeniculate системе. В этой системе клетки ретинальных ганглиев (RGCs) формируют синапсы с транслирующими нейронами, располагающимися в дорсальном латеральном geniculate ядре (dLGN) таламуса и эти синапсы, как известно, подвергаются зависимому от активности ремоделированию во время очень небольшого окошка во время развития (see Section "Microglia-synapse interactions in the mature CNS: molecular mechanisms and functional consequences" о деталях retinogeniculate ремоделирования) (Guido,2008; Hong and Chen,2011; Huberman,2007; Sretavan and Shatz,1986). Используя эту систему, мы разработали высоко производительный метод фагоцитоза in vivo, чтобы продемонстрировать, что микроглия фагоцитирует пресинаптические вводные устройства RGC во время периода пика в ремоделировании retinogeniculate синапсов (P5 у мышей), данные, которые были оценены с помощью нескольких отличающихся световых и ультраструктурных испытаний (Schafer et al.,2012). С помощью EM, этот фагоцитированный материал имел характерные признаки пресинаптического терминального аппарата, а именно 40 nm пузырьки; однако, поглощение обломков аксонов не может быть исключено. В отличие от предыдущей работы это исследование выявило некоторые доказательства, подтверждающие поглощение постсинаптического аппарата, это может быть обусловлено региональными различиями, особенно учитывая RGCs синапсы на клеточном теле и проксимальных дендритах постнатальных транслирующих нейронов dLGN ядра (Guido,2008). Далее мы продемонстрировали, что поглощение и ремоделирование синапсов скоррелированы по времени, так что когда ремоделирование было близко к завершению поглощение вводных устройств RGC драматически снижалось.
Помимо оценки регуляции во время развития мы разработали метод in vivo тестирования, затрагиваются ли взаимодействия микроглия-синапсы зависимой от активности синаптической конкуренцией. Зависимая от активности конкуренция устанавливалась с помощью введения в один из глаз или TTX, чтобы подавлять возбуждение, или forskolin, аналог цАМФ, чтобы усиливать возбуждение (Dunn etal.,2006; Stellwagen and Shatz,2002; Stellwagen et al.,1999). В др. глаз инъецировали только транспортер. После фармакологического снижения (TTX) или усиления (forskolin) возбуждения в одном глазу, полученные данные показали, что микроглия предпочтительно поглощает вводные устройства, происходящие от "более слабого" или менее активного глаза (Schafer et al.,2012). Важно, что эти собственно фармакологические манипуляции, как известно, нарушают нормальное синаптическое ремоделирование, так что вводные устройства от "более слабого" или менее активного глаза теряют территории, а вводные устройства от "более сильного" или более активного глаза приобретают территории (Cook et al.,1999; Del Rio and Feller,2006; Huberman et al.,2008; Penn etal.,1998; Shatz,1990; Shatz and Stryker,1988; Stellwagen and Shatz,2002). Т.о., эти данные подтверждают, что микроглия является динамическим сенсором во время зависимого от активности синаптического ремоделирования и может активно поглощать синапсы, предназначенные для элиминации.
Итак, эти дерзкие исследования демонстрируют, что микроглия, в самом деле, взаимодействует с и поглощает синаптические элементы и что взаимодействия микроглия-синапсы регулируются с помощью активности нейронов и сенсорных восприятий. Важно, что эти исследования ставят новые и интересные вопросы, включая: (1) каковы молекулярные механизмы, лежащие в основе взаимодействий микроглия-синапсы? и (2) каковы физиологические последствия этих взаимодействий.

MICROGLIA-SYNAPSE INTERACTIONS IN THE DEVELOPING CNS: MOLECULAR MECHANISMS AND FUNCTIONAL CONSEQUENCES


Зрелая нервная система характеризуется удивительно точными нейральными связями (circuitry). Однако в развивающейся нервной системе эти цепи далеки от точности, поскольку нейроны образуют обильное количество временных синапсов во время раннего развития. В процессе, наз. прореживание (pruning) синапсов многие синапсы элиминируются, тогда как оставшиеся синапсы поддерживаются и усиливаются. Очевидно, что активность нейронов регулирует прореживание, а также созревание синапсов (Hua and Smith,2004; Huberman et al.,2008; Katz and Shatz,1996; O'Leary and McLaughlin,2005; Sanes and Lichtman,1999; Torborg and Feller,2005), мало известно относительно клеточных и молекулярных медиаторов. Интересно, что несколько ключевых статей, опубликованных в последнюю декаду, выявили критическую роль молекул традиционно ассоциированных с иммунной функцией (MHC класс I молекул и рецепторов, компонентов комплимента и рецепторы и pentraxins нейронов) в качестве модуляторов онтогенетического прореживания синапсов (Bjartmar et al.,2006; Boulanger,2009; Corriveau et al.,1998; Datwani et al.,2009; Goddard etal.,2007; Huh et al.,2000; Schafer and Stevens,2010; Stevens et al.,2007; Syken et al.,2006). Вместе появившимися доказательствами, что активность регулирует микроглию в местах синапсов (Schafer et al.,2012; Tremblay et al.,2010; Wake etal.,2009), было предположено, что микроглия, постоянно присутствующие в ЦНС иммунные клетки, могут быть клеточными медиаторами зависимого от активности прореживания и созревания синапсов. Чтобы определить, имеют ли взаимодействия микроглия-синапсы в развивающемся головном мозге физиологические последствия и выявить молекулярные механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий, были предприняты исследования на мышах с делециями генов, специфичных для микроглии в контексте здоровья развивающейся ЦНС (Paolicelli et al.,2011; Pascual et al.,2011; Roumier etal.,2004, 2008; Schafer et al.,2012).

A Role for Microglia in Developmental Synaptic Pruning


Один молекулярный путь, который был предположен как потенциальный медиатор взаимодействий микроглия-синапсы и онтогенетического прореживания синапсов это классический каскад комплемента (Stephan et al.,2012; Schafer and Stevens,2010; Stevens et al.,2007). Молекулы, относящиеся к классическому комплементарному каскаду, C1q и C3, располагаются в синаптических компартментах и обеспечивают прореживание синапсов в развивающейся retinogeniculate системе (Stevens et al.,2007). Во врожденной иммунной системе, C1q и/или C3 связывают клеточный материал, включая его удаление с помощью нескольких разных механизмов, включая пути фагоцитоза (Gasque,2004; Lambris and Tsokos,1986; van Lookeren Campagne et al.,2007). Т.о., была предположена интригующая гипотеза, что белки комплемента связывают синапсы, которые впоследствии элиминируются за счет первичных фагоцитов в ЦНС, микроглии. Недавно мы продемонстрировали in vivo, что компонент комплемента C3, обогащен в синаптических компартментах, а его рецептор, complement receptor 3 (CR3), экспрессируется на поверхности микроглии, обеспечивая поглощение пресинаптических окончаний в развивающейся retinogeniculate системе во время периода пика синаптического ремоделирования (P5 мыши dLGN) (Schafer etal.,2012). Сходным образом исследования in vitro подтвердили, что сиаловая кислота, находящаяся в нейритах, регулирует связывание компонентов комлемента (C1q и C3) и CR3-зависимое поглощение нейритов микроглией (Linnartz et al.,2012). Эти данные согласуются с идеей, что белки комплемента могут быть "загружены" на синапсы для удаления с помощью микроглии, экспрессирующей complement-receptor (Fig. 1, panel B). Однако предстоит определить in vivo, регулируются ли компоненты комплемента за счет активности и локализуются ли на синапсах, предназначенных для элиминации с помощью поглощения, обеспечиваемого микроглией. Однако поскольку поглощение вводных устройств RGC снижается на 50% у C3 и CR3 нокаутных мышей, эти данные подтверждают, что др. пути фагоцитоза также могут участвовать (Schafer etal.,2012). Интересными кандидатами могут быть белки, принадлежащие к сигнальным путям "find-me", "eat-me" и "don't-eat-me", традиционно ассоциированными с поглощением апоптических клеток (Elward and Gasque,2003; Griffiths et al.,2009; Grimsley and Ravichandran,2003; Nagata et al.,2010; Ravichandran,2011). Напр., Drosophila Draper (CED-1 у C. elegans и MEGF10 у млекопитающих) и CED-6 (GULP у млекопитающих) пути продемонстрировали участие в удалении обломков аксонов во время обрезки аксонов и после повреждений аксонов (Awasaki et al.,2006; Fuentes-Medel et al.,2009; Logan et al.,2012; MacDonald etal.,2006; Ziegenfuss et al.,2008). Остается определить, участвуют ли эти пути также в системах млекопитающих.

Figure 1. Models of microglia-synapse interactions in the CNS. (A) In the embryonic and early postnatal brain, microglias are of an amoeboid morphology resembling "activated" cells associated with disease and injury. During this stage, they are actively dividing and recruited to regions throughout the CNS. Fractalkine (purple circles), which may be released by neurons, is proposed to act on fractalkine receptors (purple squares) expressed by microglia to regulate activation, cell number, and/or recruitment to synaptic-enriched regions. DAP12 (orange squares) expressed on the surface of microglia is also thought to affect synapse function during this period, perhaps, by regulating the "activation" state of microglia. (B) In the postnatal brain, during the first 3 weeks of postnatal life, microglia, which are still "activated" but now have processes, participate in synaptic pruning. Along with the fractalkine receptor (purple squares) and DAP12 (orange squares), microglia express high levels of complement receptor 3 (CR3, red squares) on their surface. We propose that complement component C3 (red stars) is tagging synapses for removal and have demonstrated that synapses are engulfed by phagocytic microglia in a complement-dependent manner. Disruptions in any of these processes results in deficits in synaptic pruning or maturation. (C) In the adult brain, evidence suggests that microglia are releasing soluble factors (gray and black circles) such as BDNF, TNF?, glycine, l-serine etc., which affect basal neurotransmission and synaptic plasticity (i.e., LTP) via direct action on neurons or indirectly via astrocytes (orange). In addition, fractalkine signaling via soluble fractalkine (purple circles), most likely released by neurons, and the fractalkine receptor (purple squares), expressed by microglia, modulates microglia-synapse interactions to affect LTP and behavior in the mature CNS.

Принимая во внимание, что C3 и CR3 нокаутные мыши обнаруживают дефицит в поглощении ремоделируемых входных устройств (inputs) RGC, мы непосредственно исследовали роль микроглии в развитии синаптического прореживания, оценивая C3 и CR3 KO мышей по дефектам прореживания в развивающейся retinogeniculate системе. Рано в развитии RGCs сетчатки проецируются к и формируют избыток временных синаптических соединений внутри раннего ядра dLGN таламуса (Guido,2008; Hong and Chen,2011; Huberman,2007; Sretavan and Shatz,1986). В течение первой недели постнатального развития грызунов RGC синаптические входные устройства конкурируют за территорию, приводя в результате к элиминации большинства временных синаптических соединений и к поддержанию и усилению оставшихся синапсов. Эта конкуренция может происходить между синапсами, возникающими в одном и том же глазу (monocular), а также между синапсами, происходящими из разных глаз (binocular) (Chen and Regehr, 2000; Hooks and Chen, 2006; Jaubert-Miazza et al., 2005; Ziburkus and Guido, 2006). Одной из крупных оценок дефицита прореживания retinogeniculate является специфичная для глаз сегрегация, при которой входные устройства (inputs) от обоих глаз конкурируют за территорию, приводя в конечном итоге к завершению ипсилатеральных и контралатеральных синаптических вводов в самостоятельных не перекрывающихся доменах зрелого dLGN (Godement et al.,1984; Guido,2008; Huberman et al.,2008; Jaubert-Miazza et al.,2005; Sretavan and Shatz,1986; Ziburkus and Guido,2006). Используя эту систему, фармакологическое (minocycline) или более специфическое генетическое (C3 или CR3 KO) нарушения в функции микроглии, приводящие к дефициту специфической сегрегации в глазу, а также к увеличению плотности структурно интактных синапсов (Schafer et al.,2012; Stevens et al.,2007). Важно, что эти эффекты были устойчивыми у взрослых и в случае CR3 KO, могли быть специфически приписаны микроглии в контексте нормального развивающегося головного мозга. Остается один вопрос без ответа, представлены ли зависимые от микроглии эффекты прореживания (pruning) активными или пассивными процессами. Поскольку C3/CR3-обеспечиваемое поглощение и прореживание скоррелированы во времени, то остается определить, осуществляется ли обеспечиваемое микроглией прореживание с помощью активного поглощения интактных окончаний, предназначенных к элиминации посредством передачи сигналов C3/CR3 или C3/CR3-обеспечиваемое поглощение представлено процессом "очищения", независимым от C3/CR3-обусловленного прореживания. Кроме того, будущие работы д. прояснить, являются ли эти эффекты специфическими для retinogeniculate системы или имеют более широкое приложение по всей ЦНС и существуют ли др. иммунные пути, идентифицированные ранее, которые играют роль в retinogeniculate прореживании и пластичности по всей ЦНС (напр., MHC class I молекулы), могут ли они взаимодействовать с комплементом и/или микроглией, чтобы обеспечивать синаптическое прореживание (Corriveau et al.,1998; Datwani et al.,2009; Goddard etal.,2007; Huh et al.,2000).

A Role for Microglia in Synapse Maturation in the Developing CNS


В соответствии с микроглией, имеющей более широкую роль в развитии синапсов, недавняя работа на развивающемся кортексе и гиппокампе подтвердила роль микроглии в ремоделировании и/или созревании синаптических связей) (Paolicelli et al.,2011; Roumier etal.,2004, 2008; Tremblay et al.,2010). Напр., Paolicelli et al. (2011) продемонстрировали роль для fractalkine receptor (CX3CR1), экспрессирующегося специфически на поверхности микроглии в развивающейся ЦНС (Harrison et al.,1998), в формировании синапсов гиппокампа. В контексте болезни, CX3CR1 обладает способностью модулировать количество, активацию и рекрутирование микроглии к местам повреждения путем связывания лиганда fractalkine (CX3CL1), экспрессируемого поврежденными нейронами (Cardona et al.,2006; Jung et al.,2000). В отличие от нормального развивающегося гиппокампа, Cx3cr1KO мыши обнаруживают повышенную плотность шипов (spine) и иммунореактивность PSD-95, усиленную долговременную депрессию гиппокампа и пониженную продолжительность и латентность к pentylenetetrazol (PTZ)-индуцированным судорожным реакциям, характеристики, ассоциированные с менее зрелыми синапсами и возможно ассоциированные с аномальным прореживанием (Paolicelli et al.,2011). Однако постнатально (P15) Cx3cr1KO мыши не обнаруживают дефицита в поглощении постсинаптических элементов. Напротив, авт. продемонстрировали, что значительно меньше микроглии присутствует в постнатальном гиппокампе Cx3cr1KO по сравнению с дикого типа контролем того же возраста. Важно, что аномалии в количестве микроглии и плотности синапсов у постнатальных Cx3cr1KO мышей возвращаются к нормальным уровням у взрослых. Т.о., в контексте развивающейся ЦНС наиболее вероятно, что передача сигналов fractalkine регулирует активацию, количество и/или рекрутирование микроглии в места синапсов в гиппокампе в раннем постнатальном головном мозге (Fig. 1, panels A and B). Остается определить, играет ли микроглия какую-либо устойчивую функциональную роль в этих синапсах. В противовес Paolicelli et al. (2011), др. недавние исследования продемонстрировали отличающиеся дефекты в микроглии и синаптической функции в гиппокампе у взрослых (в возрасте 3- мес.) Cx3cr1KO мышей (т.e., повышенные количества микроглии и снижение LTP; see Section "Microglia-synapse interactions in the mature CNS: molecular mechanisms and functional consequences" for more details) , это открывает возможность, что передача сигналов fractalkine может играть разные роли в развивающемся и взрослом головном мозге (Fig. 1, panels A-C) (Rogers et al.,2011).
В соответствии с тем, что микроглия играет роль в созревании синапсов в гиппокампе, более ранние in vitro исследования продемонстрировали, что созревание синапсов гиппокампа изменено у мышей с мутацией в KARAP/DAP12 (DAP12KI), в трансмембранном рецепторе, экспрессирующемся микроглией с рождения и известном как регулятор активации макрофагов в иммунной системе (Hamerman et al.,2005; Roumier et al.,2004, 2008; Tomasello et al.,1998, 2000; Turnbull et al.,2005). Срезы гиппокампа, приготовленные из P22 DAP12KI мутантных мышей обнаруживают повышенные количества NR2B-containing N-Methyl-d-aspartate (NMDA) рецепторов, как было оценено по чувствительности к ifenprodil и повышению с помощью 2-amino-3-(5-methyl-3-oxo-1,2-oxazol-4-yl) propanoic acid (AMPA) рецептора проницаемости кальция, характеристике, показывающей на недозрелость синапсов (Roumier et al.,2004). В последнем исследовании свежеприготовленные срезы гиппокампа, приготовленные от P18-P25 DAP12KI мышей, имеют повышенное соотношение AMPA/NMDA и поскольку большинство синапсов кажутся нормальными при ЭМ, то не наблюдается увеличения перфорированных синапсов в stratum radiatum в CA1 (Roumier et al.,2008). Чтобы понять, возникают ли эти эффекты пренатально, авт. приготовили почти чистую культуры диссоциированных нейронов гиппокампа от P0 DAP12KI мышей и мыши стали субъектами воспаления in utero с помощью LPS. После 14 дней культивирования (DIV 14), изображения функционального кальция выявили достоверно сниженные флюктуации кальция в присутствии AMPAR блокатора 6-cyano-7 nitroquinoxline-2 (CNQX) в культурах, полученных от P0 мутантных и LPS-обработанных мышей по сравнению с мышами дикого типа или обработанными только транспортером. Кроме того, обнаруживается увеличение в иммуногистохимической колокализации пре- и постсинаптических маркеров в культурах, полученных от DAP12KI мышей. Поскольку экспрессия DAP12 специфична для пренатальной и ранней постнатальной микроглии и культуры были преимущественно лишены микроглии, эти данные подтверждают, что физиологический и структурный дефициты являются результатом онтогенетических дефектов в созревании синапсов, которые возникают пренатально (Fig. 1, panel A) (Roumier et al.,2008). Однако поскольку самый поздний возраст, при котором синапсы функционируют, был оценен как P25, то предстоит ещё определить, является ли дефицит в DAP12KI в созревающих синапсах гиппокампа результатом задержки развития и выявляется позднее.
Эта новая информация улучшает наше понимание молекулярных механизмов и функциональных последствий взаимодействий микроглия-синапсы в развивающемся головном мозге и вызывает интерес к идентификации большего числа путей, связанных с микроглией и функций во всей ЦНС. В самом деле, идентификация таких механизмов и функций окажет огромное влияние на способ нашего мышления о развитии и пластичности синапсов и может серьезно повысить наше понимание болезней, ассоциированных с аномальной прокладкой путей в головном мозге (напр., аутизм, шизофрения и т.д.) и/или с дегенерацией синапсов (напр., болезнь Алцгемера и Паркинсона и т.д.) (See Section "Microglia-synapse interactions in the healthy CNS: disease relevance" for discussion of disease relevance).

MICROGLIA-SYNAPSE INTERACTIONS IN THE MATURE CNS: MOLECULAR MECHANISMS AND FUNCTIONAL CONSEQUENCES


Ранее рассмотренные исследования подтвердили, что взаимодействия между микроглией и синапсами играют важную роль в прореживании и/или созревании синаптических соединений в развивающейся ЦНС. Может ли микроглия играть роль в пластичности и функции синаптических circuits в зрелой ЦНС? Помимо роли в развивающихся синапсах, некоторые исследования описывают потенциальные функции микроглии в синапсах нормальной взрослой ЦНС, такие как регуляция LTP, synaptic scaling, и базовая glutamatergic и GABAergic трансмиссия (Fig. 1, panel C) (Ben Achour and Pascual,2010; Bessis et al.,2007; Kettenmann et al.,2011).

Microglia-Dependent Synaptic Plasticity in the Mature CNS


Поскольку исследования в развивающемся головном мозге продемонстрировали, что физические взаимодействия между микроглией и синаптическими элементами могут регулировать пластичность, то большинство работ по зрелой ЦНС подтверждает, что микроглия может функционировать, чтобы модулировать пластичность нейральных circuits с помощью паракринных сигналов. Исследования In vitro продемонстрировали, что когда или культивируемая микроглия или кондиционная среда от культивируемой микроглии добавлялись к культурам кортикальных срезов, то NMDA-рецепторами вызываемые excitatory postsynaptic currents (EPSCs) были больше по амплитуде и длиннее по продолжительности (Moriguchi et al.,2003). Работа с культурами нейронов гиппокампа подтвердила эту находку и продемонстрировала, что кондиционная среда после микроглии также увеличивает индукцию LTP (Hayashi et al.,2006). В то же самом исследовании были идентифицированы glycine и l-serine, секретируемые микроглией в качестве молекулярных медиаторов этого эффекта. В соответствии с ролью микроглии в LTP гиппокампа недавнее исследование установило, что индукция LTP снижается в органотипических срезах гиппокампа, приготовленных от взрослых (3 мес.) Cx3cr1KO мышей по сравнению с однопометными особями дикого типа (Rogers et al.,2011). Важно, что эти in vitro дефициты совпадали с нарушениями in vivo в обучении и памяти, как было установлено с помощью Morris водного лабиринта и контекстуального и вызванного сигналами страха кондиционирования. Поскольку эти мыши имеют также нарушенный нейрогенез у взрослых in vivo, то необходимо определить, имеет ли передача сигналов CX3CR1 в микроглии прямой или косвенный эффект на функцию синапсов. Интересно, что в отличие от постнатального гиппокампа, который был охарактеризован с помощью временного снижения плотности микроглии (Paolicelli et al.,2011), плотность микроглии повышалась во взрослых Cx3cr1KO гиппокампах (Rogers et al.,2011). Эти данные открывают интригующую возможность, что передача сигналов fractalkine может оказывать разные эффекты на микроглию в зависимости от контекста (Fig. 1, panels A-C).
Помимо синаптической пластичности, ассоциированной с LTP, микроглия также, как полагают, играет роль в синаптическом масштабировании (scaling), гомеостатическом механизме, который способствует долговременной стабильности нейральных сетей (Stellwagen and Malenka,2006; Turrigiano,2008; Turrigiano and Nelson,2004). Используя культивируемые нейроны гиппокампа, происходящий из глии TNFα была показана необходимость с синаптическом масштабировании в возбуждающих и ингибирующих нейронах. Поскольку как астроциты, так и микроглия продуцируют TNFα, то относительный вклад этих двух типов клеток в in vitro и in vivo синаптическое масштабирование является важной областью дальнейших исследований.

Microglia-Mediated Effects on Basal Synaptic Transmission


Помимо синаптической пластичности, как полагают, микроглия д. регулировать базовую glutamatergic и GABAergic синаптическую трансмиссию (Coull etal.,2005; Pascual et al.,2011; Tsuda et al.,2003). Напр., когда свежеприготовленные органотипические срезы гиппокампа были подвергнуты воздействию провоспалительных молекул LPS, то микроглия становилась более "активированной" и AMPA рецепторами обусловленные спонтанные частоты EPSC были повышены в CA1 нейронах (Pascual et al.,2011). Pascual et al. (2011), тем самым продемонстрировав, что этот эффект ослаблен в срезах, приготовленных из PU.1 нулевых мышей, которые лишены некоторых клеточных типов, относящихся к лимфоидному и миэлоидному ростку (McKercher et al.,1996; Scott et al.,1994), эти данные подтверждают, что эффект был специфичен для микроглии в контексте ЦНС. Авт. далее продемонстрировали, что специфичные для микроглии эффекты, скорее всего, были косвенными и подтвердили, что LPS понуждают микроглию высвобождать АТФ, который связывается с P2Y1 рецепторами на астроцитах. Астроциты в дальнейшем обеспечивают увеличение возбуждающей передачи посредством metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5)-зависимого механизма. Поскольку это исследование было осуществлено in vitro и может иметь большее значение для болезней, т.к. LPS является провоспалительным агентом, наиболее близко воспроизводящим болезненное состояние, то возникает вопрос, обладает ли микроглия способностью регулировать базовую glutamatergic трансмиссию при менее патологических условиях in vivo.
Помимо влияния на передачу базовых glutamatergic сигналов микроглия обладает способностью модулировать GABAergic синаптическую трансмиссию; однако этот эффект был продемонстрирован только в контексте повреждений (Coull et al.,2005; Tsuda et al.,2003). Короче, после повреждения высвобождается АТФ, который в свою очередь стимулирует микроглию к высвобождению brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Продуцируемый микроглией BDNF вызывает деполяризующий сдвиг в смене потенциала анионов, что приводит к инверсии полярности тока, активируемого с помощью GABA. Возбуждающая трансмиссия посредством активации GABA рецепторов приводит к гиперактивности и на поведенческом уровне к повышению allodynia. Остается установить, могут ли сходные микроглией-обеспечиваемые механизмы участвовать в модулировании GABAergic нейротрансмиссии в нормальной ЦНС.

MICROGLIA-SYNAPSE INTERACTIONS IN THE HEALTHY CNS: DISEASE RELEVANCE


Исследования, рассмотренные в предыдущих разделах продемонстрировали роль микроглии в ремоделировании и созревании синаптических circuits в развитии ЦНС, а также в базовой трансмиссии и пластичности у взрослых. Помимо выявления механизмов формирования и функционирования синапсов в нормальном головном мозге, эти исследования оказали важное влияние на понимание механизмов, лежащих в основе патологии синапсов при болезнях.
Патологические функции микроглии традиционно были ассоциированы с болезнями, при которых они, как известно, осуществляют некоторые функции, в пределах от удаления дебриса и защите мест повреждений, чтобы инициировать и распространить иммунные реакции (Hanisch and Kettenmann,2007; Kreutzberg,1996; Prinz et al.,2011; Ransohoff and Perry,2009). В контексте моделей нейропатических болей одной из наиболее интригующей функцией является их роль в изменении направления (reversal) токов GABA, приводящего к гиперчувствительности к боли. При нейродегенеративных болезнях ЦНС (напр., Multiple Sclerosis, Alzheimer's disease, Huntington's disease, glaucoma, etc.), аномальная и потеря функции синапсов выявляются в качестве характерного признака на ранних стадиях болезни (Stephan et al.,2012; Coleman et al.,2004; Mandolesi etal.,2010; Milnerwood and Raymond,2010). Поскольку имеются примеры, когда теряются синапсы в связи с нейродегенерацией (т.e., Prion disease) в качестве автономного для нейронов события (Perry and O'Connor,2010; Siskova et al.,2009), то данные, полученные в др. контекстах, подтверждают, что микроглия вносит вклад в раннюю потерю синапсов и/или дисфункцию. (Alexander etal.,2008, 2012; Beggs and Salter,2010; Rosen and Stevens,2010; Schafer and Stevens,2010). Напр., в мышиной модели tauopathy (P301S), потеря in vivo синапсов в гиппокампе и активация микроглии совпадали и возникали в 3-х месячном возрасте, тогда как достоверная атрофия не наблюдалась вплоть до 9-12 мес. (Yoshiyama et al.,2007). Т.о., эти данные помещают микроглию в соотв. время и место, чтобы вносить вклад в раннюю потерю и/или дисфункцию синапсов. Кроме того, микроглия, как полагают, участвует в разборке синапсов (stripping) после перерезки аксона (Cullheim and Thams,2007; Kreutzberg,1993; Perry and O'Connor,2010; Trapp et al.,2007). Эти эксперименты были впервые осуществлены в контексте повреждений лицевого нерва, при этом, как было установлено, микроглиальные отростки проникали между пре- и постсинаптическими элементами в ядре лицевого нерва после повреждения, это эффективно "сдирало" прочь пресинаптические окончания с их постсинаптических мишеней (Blinzinger and Kreutzberg,1968). Интересно, что недавнее исследование в стареющем головном мозге продемонстрировало увеличение фагоцитарных включений в микроглии, напоминавших пре- и постсинаптические элементы, что сопровождалось зависимой от возраста потерей зрения и слуха, независимо от какой-либо существенной потери нервных клеток (Tremblay et al.,2012).
Помимо дисфункции и потери синапсов, ассоциированных с нейродегенеративными нарушениями и острыми повреждениями нейронов, совпадающими по времени и особенно важным является вклад микроглии в синаптические аномалии, ассоциированные с психиатрическими нарушениями, таким как autism spectrum disorder (ASD), obsessive compulsive disorder (OCD) и шизофрения (Chen et al.,2010; Hashimoto,2008; Havik et al.,2011; Monji et al.,2009a; Morgan et al.,2010; Pardo et al.,2005; Vargas et al.,2005). Несколько групп опубликовали интересные исследования, демонстрирующие, что ранняя инфекция, фактор риска для многих психиатрических нарушений, может быть результатом аномалий синапсов, микроглии и/или поведения, особенно после вторичного иммунного или стрессового воздействия (Bilbo,2010; Bilbo et al.,2006; Bitanihirwe et al.,2010; Ito et al.,2010; Shi etal.,2003). Одно из наиболее важных и впечатляющих новых исследований, которое выявляет влияние микроглии на аномальное образование связей в головном мозге связано с ASD это работа Derecki etal. (2012). Используя генетическую модель синдрома Rett, Mecp2-нулевых мышей, которые своим поведенческим и синаптическим фенотипом напоминают таковые при ASD (Chen et al.,2001; Guy etal.,2001), Derecki et al. продемонстрировали, что добавление к Mecp2-нулевым микроглии дикого типа приводит к ослабления некоторых поведенчески и физиологических дефектов (напр., вес тела, скорость дыханий, локомоция и т.д.). Более того, благоприятные эффекты микроглии дикого типа на Mecp2-нулевых мышей уменьшались, когда фагоцитарную активность блокировали фармакологически с помощью Annexin-V. Однако остается неясным как в точности аномальная фагоцитарная активность может вносить вклад в фенотип и как микроглия может вносить вклад в аномалии синапсов. ассоциированные с ASD. Интересно, что одно из исследований in vitro с использованием культур диссоциированных нейронов гиппокампа продемонстрировало, что клетки, обработанные кондиционированной средой, полученной из Mecp2-нулевых мышей, обнаруживали задержку развития и аномальную морфологию дендритов, признаки разрушения микротрубочек и повреждения постсинаптических glutamatergic компонентов, обусловленных токсическими уровнями высвобождаемого микроглией glutamate (Maezawa and Jin,2010). Принимая во внимание, что дефицит развития синаптических circuit проявляется как важный лежащий в основе корреляций поведенческих исходов (Belmonte etal.,2004; LeBlanc and Fagiolini,2011; Melom and Littleton,2011; Rubenstein and Merzenich,2003; Waites and Garner,2011) и учитывая новые данные, что микроглия участвует в синаптическом прореживании посредством фагоцитарных иммунных путей (Schafer et al.,2012), кажется очень умозрительной соблазнительная гипотеза, что микроглия вносит в симптоматику ASD, частично, благодаря аберрантной передаче neural-immune сигналов в развивающихся синапсах.

SUMMARY AND REMAINING QUESTIONS


In summary, the recent attention focused on the role of microglia in the healthy brain has elicited several exciting new findings suggesting that microglia play dynamic roles at developing and mature synapses (see Table 1). The interactions between microglia and synapses are dependent upon direct, physical contact as well as signaling via soluble factors. On a functional level, it is now clear that microglia interact with and/or engulf synaptic elements in a manner dependent upon neural activity, mediate synaptic pruning in at least one region of the developing CNS, regulate synapse maturation, and modulate plasticity (LTP and synaptic scaling) and basal transmission in the mature CNS. As a result of these important first studies, several questions have arisen and remain unanswered in the field. First, in the context of the developing CNS, while it is clear that complement-dependent phagocytic signaling is one pathway underlying physical interactions between microglia and remodeling synapses, other, yet to be identified, pathways must also be involved. Second, at this point, data demonstrate that phagocytosis of synaptic elements and pruning are temporally correlated. It remains to be determined whether engulfment of synaptic elements is, indeed, an underlying mechanism of plasticity and an active process by which microglia selectively engulf intact synapses destined for elimination. Furthermore, while current imaging data in the cortex and hippocampus suggest a role for microglia in activity-dependent synaptic remodeling or maturation (Paolicelli et al.,2011; Tremblay et al.,2010), it is still unclear whether microglia are necessary for bona fide synaptic pruning in these other brain regions, and if so, what are the underlying mechanisms? In the context of the mature adult CNS, while several molecular pathways have been identified to contribute to synaptic plasticity and basal transmission in slice and cultured cell preparations, in vivo contributions are still relatively unclear with only a few behavioral correlates. In addition, in the mature CNS, it is unknown whether and how microglia-specific pathways may interact with one another to affect neurotransmission and plasticity and whether many of these molecular pathways have similar or different functions in the context of microglia in the developing brain (Fig. 1, panels A–C).

Table 1. Overview of Synapse-Related Microglia Functions См. в оригинале статьи

Imperative to our understanding of these mysterious cells is the use of in vivo strategies. Microglia are highly reactive cells that respond within minutes to manipulation (Davalos et al.,2005; Hanisch and Kettenmann,2007; Kreutzberg,1996; Nimmerjahn et al.,2005; Ransohoff and Perry,2009). Thus, while in vitro preparations (e.g., isolated cells, acute slice, slice culture, etc.) are important and necessary strategies for dissecting mechanism and function, the physiological relevance and molecular mechanisms identified must be confirmed in vivo. Future in vivo studies using a combinatorial approach of live imaging and molecular biology, including the use of newly derived cre lines (Parkhurst et al.,2011 ), should significantly advance our understanding of the function of microglia at synapses and the molecular mechanisms underlying these interactions. Given that several prevalent psychiatric and developmental disorders (e.g., schizophrenia, OCD, autism, etc.) have recently been linked to deficits in synapse development and/or function, as well as a growing body of evidence suggesting abnormalities in microglia (Derecki et al.,2012; Maezawa and Jin,2010; Monji et al.,2009b; Morgan et al.,2010; Steiner et al.,2008; Vargas et al.,2005; Yang and Lu,2011), understanding functions and molecular pathways underlying microglia-synapse interactions in the healthy brain becomes imperative. This knowledge of molecules and function is important for advancing our understanding of basic biological mechanisms as well as for the promise of developing novel diagnostic and therapeutic strategies associated with CNS disease and injury.
Сайт создан в системе uCoz