Ученые обнаружили неожиданную сложность мозжечковых связей

Изображения тысяч клеток Пуркинье показывают, что почти все клетки человека имеют несколько первичных дендритов. Эти структуры, наблюдаемые у мышей, облегчают соединения с множественными лазающими волокнами, исходящими из ствола мозга.

В 1906 году испанский исследователь Сантьяго Рамон-и-Кахаль получил Нобелевскую премию за новаторское исследование микроскопических структур мозга. Его знаменитые иллюстрации клеток Пуркинье в мозжечке изображают лес нейронных структур с множеством крупных ветвей, отходящих от тела клетки и разделяющихся на красивые листообразные узоры.

Несмотря на эти ранние изображения, показывающие множественные дендриты, отходящие от тела клетки, среди нейробиологов существует стойкий консенсус в отношении того, что клетки Пуркинье обладают только одним основным дендритом, который образует соединение с одиночным лазящим волокном, отходящим от ствола мозга. Тем не менее, недавнее исследование из Чикагский университетнедавно опубликовано в журнале Наукапоказывает, что наброски Кахаля действительно точны — практически все клетки Пуркинье в мозжечке человека имеют несколько первичных дендритов.

Дальнейшие исследования на мышах показали, что около 50% их клеток Пуркинье также имеют эту более сложную структуру, и из этих клеток 25% получают входные данные от множества лазающих волокон, которые соединяются с различными первичными ветвями дендритов. Эксперименты по регистрации клеточной активности на живых мышах также показали, что первичные ветви могут активироваться независимо, реагируя на различные раздражители из окружающей среды.

«Чем больше вы работаете с определенным прототипом клетки в своем уме, тем больше вы его принимаете», — сказал Кристиан Гензель, доктор философии, профессор нейробиологии Калифорнийского университета в Чикаго и старший автор исследования, имея в виду каноническую модель, которая Клетки Пуркинье имеют один первичный дендрит, который соединяется с одним лазящим волокном. «Эти рисунки Кахаля существуют с 1900-х годов, поэтому у нас определенно было достаточно времени, чтобы обратить на них внимание, но только теперь с помощью этого количественного анализа мы видим, что почти повсеместно каждая клетка человека имеет несколько полных дендритов, и мы можем видеть, что это также имеет качественное значение».

Переписывая идею учебника

Мозжечок (от латинского «маленький мозг») расположен в основании черепа, чуть выше места соединения спинного мозга. С тех пор, как французский врач Жан-Пьер Флуран впервые описал функцию мозжечка в 1824 году, ученые считали, что его единственная функция заключается в координации движения и мышечной активности, но достижения в области технологий показали, что мозжечок также играет важную роль в обработке информации о внутренних и внутренних процессах тела. внешней среды, включая ощущения проприоцепции и равновесия.

Клетки Пуркинье мозжечка подобны большим антеннам, принимающим тысячи сигналов, передающих спектр контекстуальной информации от остального тела. Эти сигналы затем интегрируются с сигналом ошибки предсказания, указывающим на несоответствие между контекстом и ожиданием мозга. Этот сигнал ошибки обеспечивается нервными волокнами, которые поднимаются вверх от ствола мозга и соединяются со структурами дендритов Пуркинье, являющимися их мишенями. Вполне уместно, что эти нервы называются «лазящими волокнами».

Стандартное понимание этих соединений состоит в том, что каждая клетка Пуркинье имеет один первичный дендрит, который ответвляется от тела клетки и соединяется с одним лазящим волокном, образуя единую вычислительную единицу. Вера в эту непосредственную связь между лазающими волокнами и клетками Пуркинье — центральную догму в этой области, которую можно найти в каждом учебнике по неврологии, — в значительной степени исходит из исследований на грызунах, которые в основном имеют конфигурацию с одним дендритом.

Клетки Пуркинье мыши. Хотя 50% клеток Пуркинье мыши имеют один первичный дендрит, другая половина имеет несколько дендритов, как клетки человека. Фото: Сайлас Буш, Чикагский университет.

Однако многие исследования этих структур в прошлом были сосредоточены на небольшом количестве клеток, поэтому для этого нового исследования Сайлас Буш, аспирант лаборатории Гензеля и первый автор статьи, начал с изучения тысяч клеток как человека, так и человека. ткани мыши. Он использовал метод целенаправленного окрашивания на основе антител, известный как иммуногистохимия, для селективной маркировки клеток Пуркинье в тонких срезах мозжечка. Затем он классифицировал структуру всех клеток, которые мог наблюдать, и обнаружил, что более 95% клеток Пуркинье человека имеют несколько первичных дендритов, в то время как у мышей эта цифра была ближе к половине.

«Вы понимаете, насколько это было преобладающей идеей в этой области, потому что анатомически они называются «первичными» дендритами клетки», — сказал Буш. «Таким образом, даже описание структуры этих клеток основано на том мышином прототипе, у которого есть один дендрит, который вы можете назвать первичным дендритом».

Этот замечательный

” data-gt-translate-атрибуты = “[{” attribute=””>species difference, in one of the most evolutionarily conserved brain areas shared across mammals and even other

Walking mice and wiggling whiskers

Encouraged by this finding that a sizable portion – albeit a minority – of Purkinje cells with multiple primary dendrites also received input from multiple climbing fibers, Busch conducted a series of experiments in living mice to see if it led to functional differences in the live mouse. First, he injected a fluorescent calcium indicator dye into the cerebellum and implanted a small glass window so he could later observe the flow of calcium into the Purkinje cell dendrites. By restraining the mouse’s head under a microscope while it ran on a treadmill, he could measure calcium flow that indicated when a climbing fiber is providing a strong input to the cell. In cells with one primary dendrite, high-resolution images showed that the activity signal was uniform across its structure; in cells with multiple primary dendrites, he could detect activity on each side occurring at different times, meaning that one dendrite could be activated by its climbing fiber while the other dendrite in the same cell was not.

Next, Busch wanted to see if he could tease out individual climbing fiber activity by using a more precise stimulus: the mouse’s whiskers. For this experiment though, Busch had to sedate the mice (“I don’t know if you’ve ever tried to stimulate individual whiskers in an awake mouse, but it’s really hard,” he said). With the mice asleep, Busch threaded individual whiskers into a small glass tube and wiggled them back and forth. Here, he could also see activity in distinct dendritic branches of the Purkinje cells, suggesting that individual climbing fibers were signaling the input from individual whiskers to individual dendrites.

Finally, for a more real-world scenario, Busch also tested awake mice with several stimuli, like flashes of light, sounds, or air puffs on the whisker pad. Again, he saw differences across the Purkinje cells. In some, one branch would differentially favor one stimulus, so it might be particularly responsive to light but not sound. Then the other branch might be preferentially responsive to sound, but not light.

“This happened in a minority of cells since there are fewer with multiple branches in mice, and not all of them get multiple climbing fibers, but still, the presence of this effect was very interesting,” Busch said. “It confirmed this idea that the two climbing fiber inputs will have different functional purposes that represent different information.”

The cerebellum’s connectivity becomes more clear

This new evidence upends standard thinking about a brain area thought to be fairly solved anatomically and has functional consequences as well. As the climbing fibers provide input from the brain stem, the Purkinje cells aggregate and process that information. Multiple inputs connecting at multiple points on the cells provide more computational power, allowing brain circuits to adapt and respond to changes in the environment or the body that require different movements, and this non-canonical connectivity is closely tied to the structure of Purkinje cell dendrites.

There is also evidence that these connections in the cerebellum can be involved in disease. In 2013, for example, Hansel worked on a study with UChicago neurologist Christopher Gomez, MD, Ph.D., showing that Purkinje-climbing fiber connections are weaker in mouse models of cerebellar ataxia, a movement disorder. On the other hand, Busch, Hansel, and Gomez have published work with former UChicago graduate student Dana Simmons showing these connections are stronger in genetic duplication and overexpression models of autism. Other researchers demonstrate stronger connections in certain types of tremors as well. Understanding more about the essential biological structures of these cells will hopefully provide more insight into these conditions.

“People who study other parts of the brain like the neocortex or the hippocampus always have more or less an idea of what that brain structure is doing,” Hansel said. “Those of us who study the cerebellum always had this idea that it’s motor coordination and adaptation, but it was also clear that it was something beyond that. Now it will be easier to grasp as the connectivity becomes clearer.”

Reference: “Climbing fiber multi-innervation of mouse Purkinje dendrites with arborization common to human” by Silas E. Busch and Christian Hansel, 27 July 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adi1024

The study was funded by the National Institute of Neurological Disorders and Stroke, the National Institute of Neurological Disorders and Stroke, and the