Astrocytic processes: from tripartite synapses to the active milieu Semyanov, A., Verkhratsky, A.Trends in Neurosciences, 2021, 44(10), р. 781–792
Концепция активной микросреды
Концепция трёхчастного синапса (1) сыграла важную роль в переосмыслении роли астроцитов в синаптической передаче. Однако последующие морфологические исследования выявили дополнительные компоненты синаптической структуры. Эти компоненты включают микроглиальные отростки и компоненты внеклеточного матрикса (ВКМ), тем самым расширяя «тройственную» парадигму до понятия тетра- и пента-частного синапса (2,3). Эти концептуальные изменения отражают сложность пресинаптической микросреды как объекта с исключительной морфологической пластичностью. В частности, в функционировании синапса и его взаимодействии с синаптической микросредой принимают участие нейрональныекомпартменты, отдельныекомпартменты ближайших не-нейрональных клеток, компонетны межклеточного пространства. В рамках данного обзора мы утверждаем, что расширение знаний о взаимодействии клеточного и внеклеточного синаптических компонентов делает необходимым продвижение концепции «трёх-(много-)членного синапса», называемого нами «активной средой». Активная среда основана на динамическом взаимопроникновении и взаимодействии между компонентами нейронов, астроцитов, микроглии, олигодендроцитов, кровеносных сосудов, внеклеточного матрикса и межклеточного пространства. В рамках данной концепции нейронная активность не только передаётся от одного нейрона к другому, но и участвует в сообщении сигнала другим клеточным типам и не-клеточным элементам, которые реагируют на этот сигнал и оказывают соответствующее влияние на все компоненты нервной ткани.
Согласно концепции многочастного синапса, синаптическая микросреда, выполняет служебные функции, обслуживает потребности синапса, обеспечивая его питательными веществами и необходимыми метаболитами, удаляя из синаптической щели нейротрансмиттеры, поддерживая ионный гомеостаз, тем самым способствуя синаптической передаче и пластичности. Мы же предлагаем отойти от концепции синаптоцентризма, постулируя, что синапсы сами по себе являются равнозначной частью активной микросреды, влияющей, в свою очередь, на своих соседей: астроциты, микроглиальные клетки, олигодентроциты, компоненты нервно-сосудистой единицы, внеклеточного матрикса и межклеточного пространства.Синаптическая активность является сигналом для этих компонентов, запускающим или модулирующим их активность (например, мембранный потенциал, ионные или метаболические ответы), что, в свою очередь, влияет на эффективность синаптической передачи, синаптическую пластичность. Таким образом, активная микросреда – это морфологическое понятие, основанное на топологической организации нервной ткани. Эта концепция объединяет ряд введённых ранее понятий, используемых при описании функциональной организации мозга, таких как: многочастный синапс, нервно-сосудистая единица, синаптическая и внесинаптическая (объёмная) передача. Морфологическая организация и функциональные свойства активной среды специфичны для разных областей мозга и характеризуются значительными различиямимежду корой и мозжечком или белым и серым веществом, определяется локальным клеточным комплементом и характеристиками конкретных клеток. В этой статье мы сосредоточимся в первую очередь на астроцитарном компоненте активной среды в сером веществе, с акцентом на морфологическую и функциональную классификациюастроцитарных отростков.
Структурная организация и классификация астроцитарных отростков
Астроциты относятся к группе клетокастроглии, включающей протоплазматические астроциты, фиброзные астроциты, радиальные астроциты, глию Бергмана и Мюллера, питуициты, танициты, эпендимоциты иклетки сосудистого сплетения [4].Протоплазматические астроциты, населяющие серое вещество коры и гиппокампа, характеризуются сложной морфологией.и гиппокамп, характеризуются сложной морфологией. Протоплазматические астроциты занимаютотдельные территориальные домены [5], таким образом разбивая серое вещество на относительно независимые нейро(глио) сосудистые единицы [6], хотя территориальная организация может несколько отличаться у разных людей [7].Протоплазматические астроциты имеют относительно небольшую сому и выраженное ветвление: несколько первичных отростков, дающих начало вторичным, третичным отросткам и далее отросткам ещё более высокого порядка. На долю терминальных отростков, также относимых к так называемым «периферическо-астроцитарным отросткам» [8], приходится до 70–80% площади поверхности астроцита [9], при этом терминальные отростки занимают небольшую часть (~ 10%) клеточного объёма[10,11], данная фракция характеризуется высоким отношением поверхности к объёму (surface-to-volumeratio, SVR) – ~25 μm–1[8, 12]. Однако часто термин «периферическо-астроцитарные отростки» используется для обозначения конкретно пресинаптическихпереферических отростков, что добавляет терминологической путаницы: поскольку синапсы могут контактировать не тольео с переферическими отростками, но и с сомой и первичными ветвями, термины «переферическиеастроцитарные отростки» и «присинаптическиеастроцитарные отростки» не эквивалентны.
Неоднородность субпопуляциипереферическихастроцитарных отростков была недавно подтверждена методами микроскопии сверхвысокого разрешения (оптической и электронной) [16,18,19]. Предположительно, морфологические различия связаны с различными механизмами ионной передачи сигналов в разных отростках.
Ветвление протоплазматических астроцитов имеет отчетливую морфологию с цилинтрическими первичными отростками и плоскими концевыми отростками. Однако общей единой классификации этих отростков, основанной на конкретных морфологических параметрах, до сих пор не существует.Терминальные астроцитарные отростки встречаются в литературе под многими названиями. Иногда их называют ламеллами, ламеллиподиями и филоподиями [20]. Астроцитарныеламеллы были определены как не содержащие органелл ламинарные расширения более крупных отростков астроцитов [21].Подвижные астроцитарные отростки, формируемые астроцитами в культуре клеток и в остро изолированных срезах головного мозга, были описаны как филоподии[22,23].
Концепция функционального трехчастного синапса [1] утверждает, что астроцитарные отростки покрывают отдельные синапсы, образуя функциональную основу для нейронно-глиального взаимодействия.До сих пор фракцияперисинаптическихастроцитарных отростков считались однородной. Однако, синапсы контактируют с отростками, находящимися на разных уровнях ветвления, представляющих собой неоднородную группуастроцитарных отростков [16–18,24]. Отростки, характеризующиеся различной морфологией и содержащие или не содержащие органеллы, могут по-разному реагировать на синаптическую активность. Так индукция долговременной потенциации запускает быстрое движение терминальных астроцитарных отростков [13,25], тогда как подвижность первичных отростков представляется менее вероятной или же будет протекать намного медленнее.
Недавно была предложена классификация, основанная на морфологических свойствах астроцитарных отростков, согласно которой выделяют: ветви и веточки как основные (первичные, вторичные и т. д.) астроцитарные отростки, которые можно визуализировать с помощью оптической микроскопии с ограничением дифракции; листочки, расположенные за пределом разрешения дифракционной оптической микроскопии; и ножеки, которые являются специализированными расширениямиветвей астроцитов, охватывающих кровеносные сосуды.Разница между ветками и веточками заключается только в порядке ветвления, ветви являются первичными отростками, отходящими непосредственно от сомы, а веточки – отростки второго, третьего и более высоких порядков. Никаких фундаментальных морфологических или функциональных различий между ветвями и веточками не обнаружено.