Sinaptoģenēze: kā veidojas sinapses

Ķīmiskā sinapse sastāv no trim daļām. Presinaptiskais gals satur sinaptiskos pūslīšus ar neiromediatoru un aktīvo zonu, kur pūslīši saplūst ar membrānu. Sinaptiskā sprauga ir ļoti šaura starpšūnu telpa. Postsinaptiskā puse satur blīvu olbaltumvielu slāni ar receptoriem, kas mediatoru atpazīst.

Ierosinošās sinapses uz galvenajiem garozas neironiem visbiežāk atrodas uz dendrītu izaugumiem jeb dzeloņiem, kas ir sīki izvirzījumi ar tievu kātiņu un platāku galviņu. Šī forma nav nejauša: kātiņš ķīmiski nodala galviņā notiekošo no pārējā dendrīta un padara katru sinapsi par atsevišķu skaitļošanas vienību.

Pastāv arī elektriskās sinapses, kurās šūnas savieno spraugu saites un jonu plūsma iet tieši no vienas šūnas otrā. Tās ir ātrākas, bet mazāk regulējamas, un attīstības gaitā daudzas no tām tiek aizstātas ar ķīmiskajām.

Sinaptoģenēze sākas ar to, ka augošais aksons pēc ķīmisko norāžu virknes atrod mērķa šūnu. Pats kontakts vēl nav sinapse: sākotnējais saskares punkts ir nestabils un var izjukt. Tikai tad, kad abas puses savstarpēji atpazīstas ar adhēzijas molekulām, sākas patiesā būvniecība.

1. Aksona auga konuss seko vadošajām molekulām un sasniedz mērķa reģionu.
2. Notiek pirmais kontakts starp aksonu un dendrītu vai dendrīta izaugumu.
3. Adhēzijas molekulas abās pusēs savstarpēji saistās un mehāniski nostiprina kontaktu.
4. Presinaptiskajā galā sapulcējas aktīvās zonas olbaltumvielas un tiek piegādāti sinaptiskie pūslīši.
5. Postsinaptiskajā pusē veidojas blīvais olbaltumvielu slānis un tajā tiek noenkuroti receptori.
6. Sinapse sāk darboties; atkarībā no lietošanas biežuma tā tiek nostiprināta vai pakāpeniski likvidēta.

Būtiskākais jautājums nav, kā sinapse tiek uzbūvēta, bet kā divas pareizās šūnas viena otru atrod. Atbilde slēpjas membrānas olbaltumvielu pāros, kas izstiepjas cauri sinaptiskajai spraugai un saistās viena ar otru kā atslēga ar slēdzeni.

Vienā no labāk pētītajām sistēmām presinaptiskajā pusē atrodas neireksīni, bet postsinaptiskajā neiroligīni. Šo olbaltumvielu dažādie varianti nosaka, vai veidosies ierosinoša vai kavējoša sinapse. Citas svarīgas grupas ir kadherīni, kas darbojas atkarībā no kalcija, un imūnglobulīnu saimes molekulas.

Neiromuskulārajā savienojumā sistēma ir citāda, bet pēc principa līdzīga. Nervs izdala agrīnu, kas iedarbojas uz muskuļa membrānas receptoru kompleksu, un tas savukārt sapulcina acetilholīna receptorus tieši pretī nerva galam. Tieši šo sistēmu skar vairākas iedzimtas un autoimūnas neiromuskulārās slimības.

• Neireksīni un neiroligīni: nosaka sinapses tipu un stabilitāti.
• Kadherīni: no kalcija atkarīgā saķere, kas satur abas puses pretī viena otrai.
• SynCAM un citas imūnglobulīnu saimes molekulas: veicina kontakta izveidi.
• Agrīna un tās receptoru komplekss: sakārto receptorus neiromuskulārajā savienojumā.
• Leicīnu bagātās atkārtojuma olbaltumvielas: precizē, kura sinapse ar kuru partneri veidojas.

Sinapšu veidošanās nenotiek vienmērīgi. Augļa attīstības beigu posmā un pirmajos dzīves gados tā ir tik intensīva, ka sinapšu blīvums garozā pārsniedz pieaugušā līmeni. Pēc tam seko ilgstošs atlases periods, kurā aktīvi izmantotās sinapses paliek, bet neizmantotās tiek noņemtas.

Šie procesi dažādos garozas rajonos notiek atšķirīgā laikā. Primārajās maņu zonās veidošanās maksimums un atlase notiek agrāk, bet prefrontālajā garozā process turpinās vēl pusaudža gados. Tieši šī laika nobīde palīdz izprast, kāpēc plānošanas un impulsu kontroles spējas nobriest vēlāk nekā maņu funkcijas.

Pieaugušajam kopējais sinapšu skaits ir samērā stabils, bet atsevišķas sinapses nepārtraukti veidojas un izzūd. Tieši šī nepārtrauktā apmaiņa ir jaunu prasmju apguves un atmiņas veidošanās strukturālais pamats.

Ilgu laiku glijas šūnas uzskatīja par nervu audu atbalsta materiālu. Mūsdienu izpratnē tās ir sinaptoģenēzes aktīvi dalībnieki. Astrocīti ar saviem izaugumiem apņem sinapses, izdala vielas, kas veicina jaunu sinapšu veidošanos, uzsūc pārpalikušo mediatoru un uztur jonu līdzsvaru spraugā.

Mikroglija savukārt piedalās sinapšu noņemšanā. Vājāk izmantotās sinapses tiek iezīmētas ar imūnsistēmas olbaltumvielām, un mikroglijas šūna šos iezīmētos kontaktus aprij. Šis mehānisms ir viens no interesantākajiem atklājumiem neirobioloģijā, jo parāda, ka imūnsistēmas molekulas smadzenēs pilda pavisam citu uzdevumu nekā pārējā ķermenī.

Praktiski tas nozīmē, ka sinaptoģenēzi nevar aplūkot tikai kā divu neironu darījumu. Tā ir vismaz četru dalībnieku sistēma: presinaptiskais neirons, postsinaptiskais neirons, astrocīts un mikroglija.

Vairākas neiroloģiskas un psihiskas slimības tiek aprakstītas kā sinapšu slimības. Autisma spektra traucējumos un intelektuālās attīstības traucējumos atkārtoti atrastas izmaiņas gēnos, kas kodē tieši adhēzijas un postsinaptiskās blīvās zonas olbaltumvielas. Tas neizskaidro visus gadījumus, bet norāda uz kopīgu mehānismu daļā no tiem.

Šizofrēnijas gadījumā ir izvirzīta hipotēze par pārmērīgi intensīvu sinapšu atlasi pusaudža vecumā, kas sakristu ar slimības tipisko sākuma laiku. Trauslās X hromosomas sindromā ir traucēta olbaltumvielu sintēzes regulācija sinapsē, un dendrītu izaugumi paliek nenobrieduši.

Neiromuskulārajā savienojumā sinapses uzturēšanu var izjaukt autoimūns process, kurā antivielas vēršas pret acetilholīna receptoru vai citām savienojuma molekulām. Rezultāts ir mainīgs muskuļu vājums, kas pastiprinās slodzes laikā.

Ar šiem stāvokļiem strādā dažādi speciālisti: bērnu neirologs un attīstības speciālists, medicīnas ģenētiķis, psihiatrs, kā arī neirologs neiromuskulāro slimību gadījumā. Ja bērns zaudē jau apgūtas prasmes, pārstāj reaģēt uz vārdu vai attīstībā acīmredzami atpaliek, nepieciešama savlaicīga ārsta izvērtēšana.

• Autisma spektra traucējumi: izmaiņas sinapses adhēzijas un karkasa olbaltumvielās.
• Trauslās X hromosomas sindroms: nenobrieduši dendrītu izaugumi.
• Šizofrēnija: hipotēze par pārmērīgu sinapšu atlasi pusaudža vecumā.
• Myasthenia gravis: antivielas pret neiromuskulārā savienojuma olbaltumvielām.
• Alcheimera slimība: sinapšu zudums korelē ar kognitīvo funkciju pasliktināšanos ciešāk nekā citas izmaiņas.

Sinapse ir pārāk maza, lai to redzētu parastā gaismas mikroskopā, tāpēc pētniecības metodes ir specializētas. Elektronmikroskopija joprojām ir zelta standarts, jo tā parāda gan pūslīšus, gan spraugu, gan postsinaptisko blīvumu.

Augstas izšķirtspējas fluorescences mikroskopija ļauj iezīmēt konkrētas olbaltumvielas un vērot sinapses veidošanos dzīvās šūnu kultūrās reālā laikā. Divu fotonu mikroskopija dod iespēju sekot dendrītu izaugumu parādīšanās un izzušanas dinamikai dzīvniekam nedēļu garumā.

Cilvēkam tiešas metodes ir ierobežotas. Pozitronu emisijas tomogrāfija ar marķieri, kas saistās ar sinaptisko pūslīšu olbaltumvielu, ļauj netieši novērtēt sinapšu blīvumu dzīvās smadzenēs, un šo pieeju izmanto deģeneratīvu slimību un epilepsijas pētījumos. Pēcnāves audu pētījumi joprojām sniedz vislabāko strukturālo informāciju.

• Elektronmikroskopija: precīza sinapses uzbūves attēlošana.
• Augstas izšķirtspējas fluorescences mikroskopija: konkrētu olbaltumvielu izvietojums.
• Divu fotonu mikroskopija: dendrītu izaugumu dinamika dzīvā organismā.
• Elektrofizioloģija: atsevišķas sinapses signāla mērīšana.
• Pozitronu emisijas tomogrāfija ar sinaptisko marķieri: netieša sinapšu blīvuma novērtēšana cilvēkam.

Visizplatītākais nepareizais priekšstats ir tas, ka vairāk sinapšu nozīmē labākas smadzenes. Patiesībā attīstības gaitā smadzeņu darbība uzlabojas tieši tad, kad sinapšu skaits samazinās. Mērķis nav maksimāls savienojumu skaits, bet precīzs un ekonomisks tīkls, kurā katrs savienojums kaut ko nozīmē.

Otrs nepareizais priekšstats attiecas uz kritiskajiem periodiem. Tiesa, ka atsevišķām funkcijām, piemēram, binokulārajai redzei, ir šaurs logs, kurā pieredze ir izšķiroša. Tomēr lielākajai daļai spēju logs nav aizvērts, tas tikai kļūst šaurāks, un mācīšanās pieaugušā vecumā paliek iespējama visu mūžu.

Mazāk zināms ir tas, cik lielu lomu sinapses uzturēšanā spēlē izmaksas. Sinapses darbība patērē ļoti daudz enerģijas, galvenokārt jonu gradientu atjaunošanai pēc katra signāla. Tieši tāpēc smadzenēm ir ekonomiski izdevīgi noņemt neizmantotos savienojumus, un tieši tāpēc smadzeņu enerģijas patēriņš proporcionāli ķermeņa masai ir tik liels.

Vēl viens novērojums, kas reti nonāk kopsavilkumos: sinapses izzušana nav pasīva bojāeja. Tā ir aktīvi regulēts process ar saviem signāliem un saviem izpildītājiem, un tā traucējumi rada tikpat nopietnas sekas kā veidošanās traucējumi. Smadzeņu attīstībā būvniecība un nojaukšana ir divas vienlīdz svarīgas puses.