Apikálny dendrit je dendrit, ktorý vychádza z vrcholu pyramídovej bunky. Apikálne dendrity sú jednou z dvoch základných kategórií dendritov a odlišujú pyramídové bunky od ostnatých hviezdicových buniek v kôre. Pyramídové bunky sa nachádzajú v prefrontálnej kôre, hipokampe, entorhinálnej kôre a čuchovej kôre. Dendritové výbežky tvorené apikálnymi dendritmi sú prostriedkom, ktorým sa integrujú synaptické vstupy do bunky. Apikálne dendrity v týchto oblastiach významne prispievajú k pamäti, učeniu a zmyslovým asociáciám tým, že modulujú excitačné a inhibičné signály prijímané pyramídovými bunkami.
Apikálne dendrity sa študujú mnohými spôsobmi. Pri bunkovej analýze sa elektrické vlastnosti dendritu študujú pomocou reakcií na podnety. Jediný povrchový šok mozgovej kôry vyvolá 10 – 20 msek negatívny potenciál, ktorý je prejavom sumárnych excitačných postsynaptických potenciálov
(EPSP) vyvolaných v distálnych častiach apikálneho dendritu. Tento potenciál sa nazýva dendritický potenciál (DP). Ten je identický s Adrianovou povrchovou odpoveďou pri priamych kortikálnych reakciách. Pri vyšších intenzitách po DP nasledujú pomalé pozitívne vlny (Adrianova hlboká odpoveď) alebo predĺžená negatívna vlna trvajúca viac ako 200 msec (Changova druhá zložka). Najvyššia amplitúda DP sa nachádza na povrchu kôry, pričom polarita sa posúva z negatívnej na pozitívnu v rámci povrchovej vrstvy.
Hipokampus obsahuje pyramídové neuróny v troch vrstvách: CA1, CA2 a CA3. Pyramídové neuróny každej vrstvy majú odlišné vlastnosti. Vo všetkých oblastiach je však pre neskoré dlhodobé potenciály v hipokampálnych neurónoch potrebná dendritická syntéza proteínov. Je známe, že neuróny v celom limbickom systéme majú „burst“ vlastnosti. Tieto bunky podliehajú synchrónnym a paroxyzmálnym depolarizáciám, pričom vystreľujú krátke sekvencie akčných potenciálov nazývané bursty.
Stratum oriens je miesto medzi vrstvami obsahujúcimi bazálne dendrity. Stratum lucidum, stratum radiatum a stratum moleculare-lacunosum sú vrstvy s apikálnymi dendritmi a sú usporiadané od najmenej vzdialených po najviac vzdialené od soma neurónu.
CA3 premieta Schafferove kolaterály do apikálnych dendritov v CA1. Jednotlivé pyramídové bunky v oblasti CA3 majú vlastnosti burst vďaka vysokej hustote vápnikových kanálov v ich proximálnych dendritoch. Depolarizácia membrány môže tiež spúšťať tieto výbuchy. Vstup vápnika do bunky spôsobuje dlhšiu depolarizáciu a zvýšenie akčných potenciálov. Zvyčajne je to obmedzené hyperpolarizujúcou lokálnou inhibíciou (v dôsledku excitačného kolaterálneho systému), čo môže viesť k postupnému náboru CA3 neurónov a vyústiť do synchronizovaných výbojov. Po hyperpolarizácii vápnikom závislou draslíkovou vodivosťou sa tiež používa ako metóda kontroly týchto výbojov.
Distálne apikálne dendrity vystupujú zo soma smerom nahor. Kratšie proximálne apikálne dendrity sa rozširujú smerom von a nižšie. Tvar väčšiny 2d časti je približne valec so špicatou základňou pre apikálny výbežok. Apikálne dendrity a bazálne dendrity majú radiálnu štruktúru organizácie, keď vychádzajú zo sómu. Proximálne apikálne dendrity a bazálne dendrity majú približne rovnakú hustotu. Apikálne dendrity majú väčšiu priemernú celkovú dendritickú dĺžku (6332 vs. 5062 mikrometrov) a plochu (12629 vs. 9404 štvorcových mikrometrov) [to nezahŕňa tŕne]. Počet terminálnych vetiev apikálnych aj bazálnych dendritov sa však zdá byť podobný. Vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi bodmi vetiev sú kratšie v prípade bazálnych dendritov. Bazálny dendrit má však približne 3-krát menej zakončení na jeden primárny dendrit. To a nižšie maximálne poradie vetiev naznačuje nižšiu zložitosť ako pri apikálnych dendritických stromoch. Bazálne dendrity majú kratšiu vzdialenosť ku koncom a obmedzenejší rozsah ako apikálne dendrity. Údaje naznačujú, že proximálne apikálne a bazálne dendrity sú viac stlačené, ale ponúkajú širší lokálny rozsah aktivity ako distálne apikálne dendrity.
V neurónoch CA3 sú vstupy rozvrstvené a prebiehajú v pásoch paralelných s vrstvou bunkového tela. Dendritický útlm synaptického prúdu je opísaný exponenciálnym vzťahom. Čím bližšie k telu je dendrit, tým vyššia je amplitúda EPSP. Elektrické merania a predpovede potvrdzujú model valcového prierezu. V CA3 vytvárajú temporoamonické (TA), komisurálne (COM), asociačné (ASSOC) a mozaikové vlákna (MF) aferenty excitačné gultamatergické (Glu) synapsie na dendritoch pyramídových buniek (apikálnych aj bazálnych).
Keďže rýchle signály vyskytujúce sa v bazálnych a proximálnych apikálnych dendritoch sa prenášajú do sómu s najmenej 20-25% účinnosťou, synapsie v týchto dendritoch prispievajú k aktivácii neurónu viac ako distálne apikálne synapsie. Naopak, iba pomalé signály z distálnych dendritov sa účinne prenášajú do sómy, čo naznačuje modulačnú úlohu na pokojový potenciál bunky. Vo viacerých štúdiách sa predpokladá, že by sa to mohlo dosiahnuť zmenou celkovej frekvencie synaptickej aktivity v distálnom apikálnom dendrite. Keďže konštantný príval synaptickej aktivity by sa približoval konštantnej prúdovej injekcii, celková úroveň synaptickej aktivity v distálnom apikálnom dendrite by mohla nastaviť úroveň depolarizácie celého neurónu. Keď sa účinnejšia proximálna synaptická aktivita prekrýva s podprahovou depolarizáciou spôsobenou distálnou aktivitou, bunka má vysokú pravdepodobnosť vypálenia AP. V CA3 je to projekcia perforačnej dráhy z entorhinálnych kortikálnych buniek, ktorá poskytuje synaptický vstup do najdistálnejších dendritov pyramídových buniek. Za predpokladu priemernej frekvencie 7 hrotov za sekundu by len päť náhodne vystrelených entorhinálnych kortikálnych buniek spôsobilo stabilnú úroveň depolarizácie v distálnych dendritoch pyramídových buniek CA3b. Amplitúda a kinetika elektrického signálu sa mení v závislosti od polohy v dendrite a frekvencie signálu.
Hlavným spúšťačom výboja CA3 je aferentný vstup z granulárnych buniek dentátového gyrusu, z ktorých terminály mozgových vlákien vytvárajú veľmi zložité synapsie na proximálnej časti apikálneho dendritu CA3 v stratum lucidum. Tu sa dotýkajú veľmi zložitých dendritických tŕňov. Uvoľňovanie glutamátu z jednotlivých terminálov vyvoláva veľký EPSP nesprostredkovaný NMDA. Najproximálnejšie oblasti pyramídových dendritov CA3 prijímajú výlučne vstup z mechúrikov, stredné dendritické oblasti (stratum radiatum na apikálnej strane a oriens na bazálnej strane) prijímajú hlavne asociačné a komisurálne vlákna (z iných buniek CA3) a distálne apikálne dendrity (stratum lacunosum-moleculare) prijímajú vstup z temproamonických aferentov (z entorhinálnej kôry). Vstup mechových vlákien do CA3 vykazuje inú plasticitu ako typická dlhodobá potenciácia, pretože závisí od (alebo je aspoň citlivý na) aktiváciu monoaminergného (pozri monoamín) systému 2. posla cAMP.
Sú podobné zubným bunkám. Typy interneurónových buniek vykazujú jedinečné vzory dendritickej arborizácie a regionálne špecifické zacielenie axónových kolaterál. Vyšetrovatelia preukázali, že rôzne morfologicky definované interneuróny vykazujú rôzne elektrické vlastnosti. Patria k nim bunky s rýchlym špicatením, ktorých inhibičné postsynaptické potenciály (IPSP) sa sčítavajú a vytvárajú malé, hladké IPSP v pyramídových bunkách, aj bunky s pomalým špicatením (tie vytvárajú veľké, rýchlo stúpajúce IPSP v cieli pyramídových buniek). Dendritická oblasť CA3 je laminovaná.
Pokiaľ ide o vstup do vlastného hipokampu, temporoamonická dráha vzniká v bunkách vrstvy III entorhinálnej kôry, ale oddeľuje sa od perforačnej dráhy, aby sa dotkla najdistálnejších vetiev pyramídových buniek v stratum lacunosum-moleculare CA1-CA3. Excitačný (glutaminergný) vplyv tejto dráhy bol spochybňovaný, pretože vplyv na pyramídové bunky bolo ťažké preukázať. Nedávne experimenty ukazujú, že táto modulácia pyramídových buniek môže diferenciálne aktivovať subpopuláciu interneurónov nachádzajúcu sa v distálnych častiach apikálnych dendritov.
Štúdium inhibičného prenosu je v prípade pyramídových neurónov a ich modulátorov obmedzené, pretože veľký počet excitačných synapsií zatienil fyziologické štúdie inhibičných neurónov. Štruktúra inhibičných synapsií na apikálnych dendritoch nemusí byť taká plastická ako excitačné synapsie na týchto neurónoch. V mnohých experimentoch je ťažké rozlíšiť excitačné a inhibičné synapsie pomocou elektrofyziologických záznamov. Excitačné synapsie a ich vzory sú v porovnaní s inhibičným systémom typovo a vlastnosťami pomerne jednotné. Inhibičný systém má naopak niekoľko (10) rôznych typov synapsií pochádzajúcich zo špecificky diferencovaných buniek a je oveľa ťažšie ich sledovať. Na presné rozlíšenie excitačných a inhibičných dráh, ktoré prispievajú k zmenám v expresii neurotransmiterov a zmenám štruktúry buniek, nie je dostatok informácií.
Pyramídové bunky CA1 tvoria homogénnu populáciu, ktorá spolu s príbuznými v subikule tvorí primárne výstupné bunky hipokampálnej formácie. Primárne excitačné vstupy sú prostredníctvom glutamatergických Schafferových kolaterál CA3 (ipsi- aj kontralaterálnych), ktoré sa dotýkajú dendritických tŕňov na apikálnych a bazálnych dendritoch vo vrstvách radiatum a oriens. Ďalší excitačný vstup je prostredníctvom temporoamonického systému, ktorý synapsuje na distálnych apikálnych dendritoch v stratum lacunosum-moleculare.
Zobrazovacie štúdie sledujúce lokalizované zmeny intracelulárneho vápnika z diskrétnych synaptických vstupov ukázali úlohu týchto prúdov v synaptickej plasticite. Neexistuje však zhoda v tom, ako môže dochádzať k zmenám synaptickej inhibície v závislosti od aktivity. Štúdie sa zhodujú v tom, že plasticita sa zvyšuje, keď sa inhibícia zníži.
CA2 sa líši od ostatných oblastí, pretože je jednou z mála oblastí, ktoré prežívajú epilepsiu spánkového laloku. Kyselina kainová, ktorá sa používa na modelovanie TLE a príbuzných skleróz, ovplyvňuje predovšetkým synapsie mozgových vlákien v CA3. Predpokladá sa, že pri nich sa pri podaní KA uvoľňuje glutamát. CA2 a CA3 možno rozlíšiť pomocou histologických farbení, pretože proximálne apikálne dendrity CA2 nemajú dendritické tŕne.
Entorhinálna kôra (EC) sa skladá zo šiestich vrstiev. Povrchovú vrstvu I tvoria prevažne aferentné vlákna na apikálnych dendritoch buniek vo vrstvách II-VI. Kaudálne vrstvy sa výrazne premietajú do rostrálnych vrstiev. V rámci každej oblasti EC hlbšie vrstvy inervujú povrchové vrstvy, pričom povrchové vrstvy inervujú susedné povrchové vrstvy. Entorinálne pyramídové bunky vrstvy V dostávajú silný vstup z perirhinálnej kôry a senzorickej kôry. Tieto pyramídové bunky sa potom premietajú do povrchových buniek entorhinálnej vrstvy II a III. Bunky EC vrstvy V majú silné rekurentné excitačné synapsie podobne ako CA3 vrstvy v hipokampe a po provokácii sú schopné burstovej aktivity. Spojenia z mediálnej do laterálnej entorhinálnej oblasti sú riedke a premietajú sa hlavne z mediálnej EC do laterálnej EC. Tieto spojenia nie sú recipročné. Väčšina buniek v ES je pyramídová. Viac ako 90 % buniek vrstvy V sú bunky s pravidelnými hrotmi, len niekoľko buniek s rýchlymi hrotmi a s burzovým vzplanutím. GABA je silná v povrchových vrstvách. Tkanivové preparáty z horizontálnych rezov tkanív ES aj hipokampu ukazujú, že vystavenie nízkym koncentráciám iónov horčíka spôsobuje dlhotrvajúce záchvaty. Táto reakcia je pravdepodobne dôsledkom prepojenia pyramídových buniek vrstvy V. Zvýšenie extracelulárneho draslíka pri záchvatoch sa pozoruje v hlbších vrstvách. Tieto reakcie sú presným odrazom in vivo modelov zvierat.
V piriformnej kôre sa vrstva I skladá prevažne z aferentných vstupov do apikálnych dendritov hlbšie uložených buniek. Vrstva I sa delí na vrstvy Ia a Ib, z ktorých každá má vlastné aferenty. Vrstva II je husto zaplnená pyramídovými a semilunárnymi bunkami. Vrstva III obsahuje vo svojej povrchovej časti prevažne pyramídové bunky.
V piriformnej kôre dostávajú distálne apikálne dendrity pyramídových neurónov vrstvy III vonkajšie vstupy, ktoré príslušné proximálne dendrity dostávajú vnútorné vstupy.
V každom glomerule sa axóny receptorových neurónov dotýkajú apikálnych dendritov mitrálnych buniek, ktoré sú hlavnými projekčnými neurónmi v čuchovom bulbe. Bunkové telá mitrálnych buniek sa nachádzajú v odlišnej vrstve hlboko v čuchovom glomerule. Každá mitrálna bunka vysiela primárny dendrit do jedného glomerulu, kde dendrit dáva vzniknúť zložitému chumáču vetiev, na ktoré sa synaptizujú primárne čuchové axóny. Každý glomerulus v myšom modeli obsahuje napríklad približne 25 mitrálnych buniek, ktoré dostávajú inerváciu z približne 25 000 axónov čuchových receptorov. Konvergencia zvyšuje citlivosť mitrálnych buniek na detekciu pachov.
Najpovrchnejšou vrstvou kôry je molekulárna alebo plexiformná vrstva. Má hustú sieť tangenciálne orientovaných vlákien a buniek tvorených axónmi Martinottiho buniek a hviezdicových buniek, ako aj apikálnych dendritov pyramídových buniek. Apikálne dendrity z pyramídových buniek vonkajšej granulárnej vrstvy a výraznejšie vonkajšej pyramídovej vrstvy vystupujú do molekulárnej vrstvy. V plexiformnej vrstve sa nachádzajú aj GABAergické synaptické spojenia medzi apikálnymi dendritmi granulárnych buniek a bazálnymi dendritmi chumáčovitých buniek a mitrálnych buniek.
Niektoré apikálne dendrity pyramídových buniek v mozgovej kôre môžu mať priemer až 10 μm. Apikálny dendrit veľkého pyramídového neurónu v mozgovej kôre môže obsahovať tisíce tŕňov. Veľkosť tŕňov v mozgovej kôre sa v jednotlivých oblastiach líši o niekoľko rádov. Najmenšie majú dĺžku 0,2 μm a objem približne 0,04 kubického mikrometra a najväčšie dĺžku 6,5 μm a objem 2 kubické mikrometre.
Pyramídové bunky sú väčšinovou triedou buniek v neokortexe. Majú vysokú hustotu dendritických tŕňov, výrazné apikálne dendrity a axóny, ktoré vystupujú z kôry aj lokálne v nej. Sómy týchto buniek sa vyskytujú vo všetkých vrstvách okrem I. Ostnaté hviezdicové bunky sa tu odlišujú od pyramídových buniek tým, že nemajú apikálny dendrit a ich axóny tiež neopúšťajú kôru. Predpokladá sa, že tieto bunky začínajú ako pyramídové neuróny a potom stiahnu svoje apikálne dendrity a axóny.
Charakteristickým znakom Purkyňových buniek je apikálny dendrit.
Tvorba dendritických tŕňov pyramídových neurónov v kortexe prebieha postupne od neskorých embryonálnych štádií vývoja až do postnatálneho obdobia. Mnohé dendrity pyramídových neurónov v hlbokých vrstvách sa rozvetvujú a vytvárajú spojenia vo vrstve IV, zatiaľ čo niektoré sa rozširujú do povrchovejších vrstiev. Dendrity pyramídových buniek vo vrstve III sa rozvetvujú a vytvárajú tŕne vo vrstve I. Talamokortikálne aferenty nadviažu synaptický kontakt s dendritmi vo vrstve IV, zatiaľ čo nespočetné množstvo iných vstupov sa stretne s dendritmi vo vrstve I. Postsynaptická štruktúra je čiastočne riadená signálmi z prichádzajúcich aferentných fivorít a počas života dochádza k plasticite synapsií.
Tvorba týchto tŕňov je regulovaná silou lokálnych signálov počas vývoja. Vývoj mozgu riadi niekoľko zákonitostí v činnosti. Zmeny akčných potenciálov v sietnici, hipokampe, kôre a mieche poskytujú signály založené na aktivite aktívnym neurónom aj ich postsynaptickým cieľovým bunkám. Spontánna aktivita pochádzajúca z neurónových gap junctions, podhubia kôry a senzorických vstupov sa podieľa na bunkovej signalizácii, ktorá reguluje rast dendritov.
Užitočným modelom tvorby dendritických tŕňov sú hlaváče Xenopus, ktoré sú v ranom štádiu larválneho vývoja priehľadné a umožňujú opakované zobrazovanie farbivom označených neurónov v intaktnom zvierati počas niekoľkých týždňov. Na tomto a iných modeloch sa pozorovalo, že dochádza k rýchlemu pridávaniu a sťahovaniu dendritických vetiev, ktoré predlžujú celkový dendrit a hromadia ďalšie vetvy. To odráža vývoj axónových vetiev (obe majú životnosť približne 10 minút). Táto aktivita sa znižuje, keď neuróny dozrievajú. Signály vrátane glutamátu z axónových vetiev môžu zvýšiť prírastky vetiev.
Na modeli hlaváčika Xenopus sa študovalo niekoľko signálnych systémov. Napríklad v optických tektálnych neurónoch dochádza k rastu dendritových tŕňov približne na začiatku vstupu do sietnice. Mnohé z nich na kaudálnom tektáte majú „tiché“ synapsie, ktoré sú modulované len N-metyl-D-aspartátovými (NMDA) receptormi. Ako neuróny dozrievajú, pribúdajú alfa-amino-3-hydroxy-5-metyl-4-izoxazolové (AMPA) receptory, ktoré zvyšujú synaptický prenos. Vývoj neurónov a dendritov je závislý od NMDA. Rýchlo rastúce dendritové tŕne sú dynamickejšie ako pomaly rastúce a samotné dendrity zohrávajú aktívnu úlohu vo svojom vlastnom vývoji. V štúdiách sa ukázalo, že transport izoforiem HCN (hyperpolarizáciou aktivovaných cyklických nukleotidov) hradených kanálov do dendritických polí pyramídových neurónov CA1 v hipokampe prebieha vo vyvíjajúcom sa hipokampe vekovo špecifickým spôsobom.
Medzi signály skúmané v tomto systéme patrí CaMKII, serín/treonínová kináza regulovaná vápnikom/kalmodulínom, ktorá je potrebná na indukciu nie expresie dlhodobej potenciácie. CaMKII mRNA je cielená na dendrity a syntéza proteínov aj aktivita enzýmu sa zvyšuje silným synaptickým vstupom. Expresia v Xenopus naznačuje, že je spojená s prechodom k spomalenému rastu arbor. To naznačuje, že aktivita podporuje zníženie rastu a retrakcie vetiev dendritu, čím sa stabilizuje konfigurácia arboru. Pre tento systém sa objavuje nasledujúci vzorec:
Časové rozdiely v signalizácii v priebehu dozrievania neurónov naznačujú, že najsľubnejšie štúdie vývoja arbor a synaptogenézy sa v budúcnosti uskutočnia v intaktných mozgových systémoch.
Ďalším modelom skúmaným v oblasti vývoja apikálnych dendritov je potkan. Injekcia tetanového toxínu novorodeným potkanom ukázala, že rast apikálnych dendritov prebieha normálne počas deprivácie signálu, zatiaľ čo rast bazálnych dendritov je obmedzený. To naznačuje, že pre tvorbu nových dendritov je rozhodujúca nervová aktivita.
Zvieracie modely však nemusia stačiť na objasnenie zložitosti týchto systémov. Napríklad pyramídové bunky v CA1 sú u ľudí 30-krát hrubšie ako u potkanov. Entorhinálna kôra je tiež rozdelená na 8 a 27 častí u ľudí (v závislosti od použitého systému), zatiaľ čo u potkanov sú to len 2 a u opíc 7 častí. Spojenia dentátového gyrusu a entorhinálnej kôry sú u ľudí tiež zložitejšie. U potkanov a mačiek existuje veľmi rozsiahle recipročné spojenie medzi entorhinálnou kôrou a čuchovým systémom. U primátov toto spojenie chýba a medzi multimodálnou parasenzorickou a paralimbickou kôrou a EK sú veľmi diferencované spojenia, ktoré nie sú tak zjavné u potkanov a mačiek. Väčšia veľkosť subikula u primátov môže proporcionálne zvýšiť jeho účinky na entorhinálnu kôru.
Tvorba dendritických tŕňov pyramídových buniek v prednej cingulárnej kôre (vrstvy 2/3) je komplexnejšia u mužov a na rozdiel od orbitálnych prefrontálnych oblastí je dendritická arborizácia väčšia u žien, čo naznačuje zásadný rozdiel v prefrontálnej organizácii u mužov a žien. Napríklad u potkanov vedie vystavenie estrogénu buď exogénne, alebo endogénne počas proestruálneho obdobia k zvýšeniu hustoty CA1 chrbtice. Tieto rozdiely môžu byť spôsobené prítomnosťou gonadálnych hormónov, ktoré preukázateľne ovplyvňujú štruktúru buniek v hipokampe. Ukázalo sa, že liečba testosterónom ovplyvňuje štruktúru kortikálnych neurónov.
Dendritické tŕne, postsynaptické štruktúry prijímajúce najmä excitačné vstupy, sú vo vývoji citlivé na zážitky vrátane stresových epizód alebo drog. Štúdie ukázali, že prenatálny stres znižuje komplexnosť, dĺžku a frekvenciu tŕňov pyramídových apikálnych dendritov vrstvy II/III u potkanov a primátov. Dendritická atrofia bola opísaná v hipokampálnej formácii a prefrontálnej kôre v oboch modeloch.
Ukázalo sa, že chronický stres znižuje komplexnosť arbor a celkovú dendritickú dĺžku apikálnych dendritických stromov pyramídových neurónov CA3 v hipokampe. Chronickým stresom vyvolané zmeny správania sa zvyčajne pripisujú zmenám v hipokampe, ktorý je primárnym nervovým cieľom glukokortikoidov a podieľa sa na mnohých správaniach zmenených podávaním kortikosteroidov. Chronický stres aj podávanie kortikosteroidov vedú k rozsiahlej atrofii apikálnych dendritov pyramídových neurónov v hipokampálnej oblasti CA3 a tieto dendrity neatrofujú, keď sa podáva kyanoketón (blokátor kortikosteroidov). Táto atrofia dendritov je sprostredkovaná glutaminergným aj serotonergným systémom (podávanie antagonistu NMDA receptorov CGP 43487 alebo inhibítora vychytávania serotonínu tianeptínu zabraňuje atrofii). Pri predĺženej liečbe bola hlásená smrť buniek. Stresové hormóny v malých dávkach samy o sebe nespôsobujú poškodenie, ale zosilňujú účinky iných nebezpečných látok vrátane excitotoxínov, hypoglykémie, hypoxie a ischémie. Predpokladá sa, že poškodzujúce účinky stresu v týchto neurónoch súvisia s expresiou neurotrofického faktora odvodeného od mozgu (BDNF), ktorého expresia sa v stresových podmienkach znižuje a zvyšuje sa pri podávaní antidepresív.
Prefrontálna kôra je tiež cieľom glukokortikoidov pri strese ([3H]dexametazón sa viaže na receptory vo frontálnej a prefrontálnej kôre približne v 75 % koncentrácii hipokampu). Na endogénnu reguláciu kortikosteroidných receptorov poukazuje zmenená väzba už spomínanej zlúčeniny v prefrontálnej kôre pri podávaní kortikosteroidov. Okrem toho sa na regulácii stresových aktivít podieľa prefrontálna kôra. Lézie v prefrontálnej kôre potkanov zhoršujú spontánnu alteráciu, výkonnosť radiálneho bludiska a pasívne vyhýbanie sa. U primátov zhoršujú inhibíciu reakcií na priamu viditeľnosť. Chronické podávanie kortikosteroidov znižuje väzbu na receptory 5-HT1A, väzbu na receptory 5-HT2, hladiny serotonínu a expresiu molekuly adhézie neurónových buniek (makromolekula na povrchu buniek, ktorá sa podieľa na regulácii aspektov stabilizácie synáps). Tieto zmeny naznačujú, že po zvýšení hladiny stresového hormónu nasleduje štrukturálna zmena.
Štúdie morfologických zmien dendritov naznačujú, že zvýšenie hladiny stresových hormónov vo vrstve II-III prefrontálnej kôry nespôsobuje žiadne pozorovateľné zmeny v štruktúre alebo distribúcii bazálnych dendritov. Apikálne dendrity však vykazujú výraznú redistribúciu v mozgoch zvierat liečených stresovými hormónmi, ktorá sa meria pomocou Schollovej analýzy. Schollova analýza odhaduje množstvo a distribúciu materiálu dendritov počítaním počtu priesečníkov dendritov s prekrytím koncentrických kruhov so stredom v some. Mediálne prefrontálne kortexové pyramídové neuróny vrstvy II-III vykazovali významnú reorganizáciu s 21 % nárastom proximálnych apikálnych dendritových výbežkov a 58 % poklesom distálnych apikálnych dendritových výbežkov. Tieto výsledky sú v kontraste so zmenami v hipokampálnych CA3 dendritických arborách, v ktorých sa pozorovali len regresívne zmeny. Jedným z možných vysvetlení navrhnutých v týchto štúdiách je, že atrofia distálnych dendritov v pyramídových neurónoch II-III vrstvy je priamo dôsledkom straty vstupu zo zmenených pyramídových neurónov CA3, keďže CA1 aj CA3 sa premietajú priamo do mediálnej prefrontálnej kôry.
Na základe elektrofyziologických údajov sa zistilo, že excitačné synapsie na proximálnych apikálnych dendritoch pyramídových neurónov prefrontálnej kôry slúžia na zosilnenie signálov excitačného postsynaptického potenciálu (EPSP) generovaných v distálnych apikálnych dendritoch. To naznačuje, že zníženie hmotnosti distálnych dendritov v dôsledku zvýšenia hladiny stresového hormónu môže mať za následok zvýšenie komplexnosti proximálnych apikálnych dendritov, pretože proximálne apikálne dendrity sa snažia kompenzovať znížené signály distálnych apikálnych dendritov.
Serotonínergické zmeny a zmeny v uvoľňovaní glutamátu v prefrontálnej kôre naznačujú, že neurochemické mechanizmy, ktoré menia štruktúru v hipokampe aj v prefrontálnej kôre, sú podobné.
Rozdelenie riadenia medzi vonkajšie a vnútorné vstupy do dendritov v piriformnej kôre (uvedené vyššie) sa v menšej miere prejavuje aj v mediálnej prefrontálnej kôre. To naznačuje, že stresom vyvolané zmeny apikálnych dendritov zvyšujú relatívny dôraz intrakortikálnych signálov na úkor extrakortikálnych signálov.
V štúdiách hierarchických zvierat sa zistilo, že dominantné a podriadené zvieratá vykazujú rovnaký stupeň dendritickej reorganizácie, čo naznačuje, že dendritická atrofia pri strese nie je závislá od stupňa.
Nižšie hladiny mitochondrií v pyramídových neurónoch CA1 môžu prispievať k zraniteľnosti týchto neurónov pri traumatickom poškodení mozgu alebo ischémii.
Pri neurometabolických ochoreniach sú distendované zásobné neuróny výrazne opuchnuté a hruškovitého tvaru, s jadrom a nisslovými telieskami posunutými smerom k apikálnym dendritom. Príkladom neurometabolických ochorení zásobných látok sú ochorenia zásobných látok sfingolipidov, ktoré zvyčajne zahŕňajú nesprávne fungujúce hydrolázy v lyzozómoch zodpovedné za degradáciu týchto lipidov:
Tento opuch sa prejavuje napríklad pri Tay-Sachsovej chorobe, pri hromadení GM2 v dôsledku defektnej beta-hexosaminidázy. Pri tejto poruche sú viditeľné veľké meganeuritické útvary.
Bolo naznačené, že pri štúdiu modelov týkajúcich sa epilepsie existuje problém „sliepky a vajca“, pretože na jednej strane sa modely používajú na štúdium genézy epilepsie a na druhej strane sa používajú na štúdium zmien predĺžených udalostí. Vyvstáva preto otázka, či výsledné údaje modelov poukazovali na prehnaný defekt zodpovedný za genézu záchvatov, alebo či údaje poukazovali na systémové zmeny normálneho tkaniva po dlhotrvajúcej záchvatovej aktivite.
Kalciové prúdy, ktoré sú normálne výrazné v hipokampálnych neurónoch CA1, sú zvýšené v reakcii na status epilepticus. Existujú dôkazy, že prúd v kalciových kanáloch typu T je zvýšený špeciálne v apikálnych dendritoch. Hypotéza je, že tento jav vytvára situáciu, v ktorej sa rýchle sodíkové hroty v some spätne šíria do dendritov, čím detonujú výbuchy.
Dendritické potenciály (DP) tiež prechádzajú zmenami. Elicitácia DPs počas záchvatovej aktivity ukázala, že sú oveľa menšie ako kontroly. DP vyvolané tesne po ukončení záchvatu však trvali dlhšie, čo naznačuje, že potlačenie DP súvisí so samotnou záchvatovou aktivitou.
Glutamát je excitačný neurotransmiter schopný spôsobiť metabolické poškodenie neurónov. V hipokampe sa zistilo, že GABAergné neuróny sú citlivé na excitotoxické pôsobenie glutamátu na kainátovom receptore. Tieto receptory sú najhustejšie v sektoroch CA3 a CA2 hipokampu, kde sa nanomolárne (nM) koncentrácie kyseliny kainovej spájali s výraznou a pretrvávajúcou depolarizáciou pyramídových neurónov CA3. To zahŕňa vedenie excitačnej aktivity pozdĺž projekcií mozaikových vlákien z oblasti dentátových granulóznych buniek do neurónov CA3. Stimulácia tohto typu receptora bola spojená s paroxyzmálnymi hrotmi podobnými záchvatom.
Plasticita pyramídových buniek a interneurónov CA1 súvisí s úlohou CA1 v epileptogenéze. CA1 je hyperexcitabilná, keď je poškodená oblasť CA3. Dochádza k zníženiu GABAA aj GABAB IPSPs. GABA interneuróny, hoci sú nepoškodené, sa ľahšie aktivujú.
Záchvatový vstup z EC do dentálneho gyrusu je filtrovaný pre iktálne aj normálne vzorce aktivity, zatiaľ čo CA3 bunky zavádzajú inter-iktálny profil, ktorý posilňuje abnormálnu aktivitu.
Hyperventilácia vedie k výraznému posunu povrchového záporného jednosmerného prúdu v dôsledku depolarizácie apikálnych dendritických stromov kortikálnych pyramídových buniek. Tento posun pravdepodobne predstavuje zvýšenú excitabilitu kortikálnych neurónových sietí a môže vysvetľovať výslednú potenciálnu epileptogenitu. Niektoré antiepileptické lieky majú opačný účinok, a to zníženie povrchovej negativity u normálnych kontrol.
V modeli epilepsie temporálneho laloku boli opísané zmeny v expresii draslíkových kanálov a draslíkových prúdov. V tomto modeli došlo k zníženiu regulácie kanála typu A kódujúceho Kv4.2. Tento kanál sa podieľa na obmedzení spätného šírenia akčných potenciálov a na znížení prenosu excitačných postsynaptických potenciálov (EPSP) z apikálnych dendritov do sómu. V tom istom modeli sa ukázalo, že vyššie spomínaná regulácia vápnikových kanálov typu t vedie aj k zvýšenému burstovému správaniu neurónov v hipokampe.
Detské záchvaty a súvisiace poruchy pamäti
Zdá sa, že odumieranie neurónov neprispieva k deficitu učenia u potkanov s detskými záchvatmi. CA3 neuróny v modeli tetanového toxínu pri včasnom nástupe epilepsie však vykazujú zníženie zložitosti vetvenia bazálnych dendritov, ako aj zníženie hustoty tŕňov na apikálnych dendritoch aj bazálnych dendritoch. Podobné údaje boli získané od epileptických ľudských pacientov počas chirurgických zákrokov. V neokortikálnych a hipokampálnych ložiskách sa pozorovalo zníženie dĺžky a komplexnosti vetvenia dendritických tŕňov a zníženie komplexnosti vetvenia zvyšných dendritov. Chronický model epilepsie s hlinitým krémom u primátov priniesol podobné údaje. Keďže dendrity a ich tŕne sú miestami excitačného synaptického vstupu na neuróny, výsledky naznačujú, že glutaminergný synaptický prenos môže byť znížený. Keďže ide o miesta aktívne pri dlhodobej potenciácii (LTP) a iných zmenách v synaptickom prenose, ktoré sú základom učenia a pamäti, zmeny na týchto miestach by mohli vysvetliť deficity učenia a pamäti spojené s epilepsiou v ranom aj dlhodobom štádiu.
U schizofrenikov postmortálna analýza poukázala na zníženie počtu GABAergických buniek a aktivity v hipokampe.
Ľudská neokortikálna heterotopia
Heterotopia je posunutie akéhokoľvek orgánu alebo jeho zložky z jeho prirodzenej polohy. Modely telencefalickej vnútornej štrukturálnej heterotopie potkanov sa používajú ako model ľudskej neokortikálnej heterotopie. V týchto modeloch nie sú apikálne dendrity pyramídových neurónov dôsledne radiálne orientované a môžu byť dokonca invertované. Okrem toho sa dendrity v blízkosti okraja heterotopickej oblasti často ohýbajú a sledujú obrys pásma.
Metódy skúmania účinkov
Nasledujúci zoznam je upravený podľa Lothman, et al.
Dve metódy skúmajú vzťah medzi záchvatmi a poškodením dendritov:
Zaznamenávanie aktivity jedného neurónu v danom čase na mnohých miestach dendritického stromu sa uskutočnilo pomocou farbív citlivých na napätie s optickým monitorovaním. Signály sú rýchle, ale aj malé a merania z jednotlivých buniek si vyžadujú intenzívne osvetlenie. Keďže farbivá sú veľmi fototoxické, bunky zvyčajne odumierajú už po niekoľkých akčných potenciáloch. Merania zo somatických aj dendritických náplasťových záznamov však ukazujú, že vrcholová výchylka membránového potenciálu počas paroxyzmálneho depolarizačného posunu (PDS) je o 10 mV väčšia v apikálnom kmeni (supragranulárne umiestnenie) ako v sóme. To je v súlade s anatómiou neokortikálnych sietí, pretože najsilnejšie recipročné spojenia vrstiev sú v supragranulárnych vrstvách 2 a 3. To môže vyriešiť protichodné informácie naznačujúce, že aktivita sa šíri predovšetkým v supragranulárnych vrstvách alebo vo veľkých neurónoch 5. vrstvy.
Konvenčné štúdie s elektrónovou mikroskopiou alebo Golgiho farbením zobrazovali dendrity ako stabilné štruktúry. Časozberná fotografia a dvojfotónová mikroskopia však odhalili dendrity ako živé, neustále sa meniace tkanivá, ktoré sú pohyblivé v rýchlom časovom meradle.
Signály EEG na pokožke hlavy sú súčtom EPSP a IPSP nervových buniek. EEG môže merať len potenciály buniek usporiadaných v organizovaných vrstvách, ktorých apikálne dendrity sú orientované kolmo na povrch kôry (ako je to v prípade pyramídových buniek). Potenciál meraný EEG je rozdiel medzi bazálnou a apikálnou časťou aktívnych neurónov, ktoré sú takto orientované. EPSP, ktoré sa zbiehajú na pyramídové neuróny prostredníctvom priamych aferentných vlákien končiacich v hornej časti apikálnych dendritov, spôsobujú tok nabitých iónov (prúd) medzi bodmi s rôznymi potenciálmi v neurónoch a mimo nich. Kladné ióny potom vstupujú do bunky po koncentračnom a elektrickom nábojovom gradiente a šíria sa do zvyšku neurónu. EPSP z distálnych apikálnych dendritov vytvárajú prúd, ktorý začína z apikálnej časti najbližšie k synapsii (kde je jeho veľkosť väčšia) smerom k telu bunky, pretože odpor voči tomuto toku je menší. Prúd kolmý (alebo radiálny) na apikálny dendrit je sprevádzaný magnetickým poľom, ktoré sa šíri ortogonálne (alebo tangenciálne) k prúdu pozdĺž extracelulárnej strany bunkovej membrány. Tento súbor iónových a elektrických funkčných zmien tak vytvára polia elektromagnetických potenciálov alebo elektromagnetické dipóly. Tie možno definovať aj ako jednotlivé ekvivalentné dipóly.