Perineuronální síť

A. Perineuronální sítě jsou tvořeny chondroitin sulfátovými proteoglykany (CSPG). Zde se neurokan, versikan, brevican a aggrecan nekovalentně vážou na hyaluronan. Dochází k asociacím mezi ostatními CSPG prostřednictvím tenascinu (T, trojúhelníky). Tenascin se zase váže na CS glykosaminoglykany (červené čáry) a také na CSPG buněčného povrchu. Fosfakan se také může vázat na receptory buněčného povrchu, jako je NCAM. B. Aplikace chondroitinázy ABC (ChABC) degraduje všechny CS glykosaminoglykany (červené čáry) i hyaluronan (růžová čára), což způsobuje velké poruchy ve struktuře perineuronální sítě. Tyto poruchy mohou umožnit axonům proniknout do uvolněného prostoru a umožnit obnovení plasticity nervového systému.

Perineuronální sítě (PNN) jsou specializované struktury extracelulární matrice zodpovědné za synaptickou stabilizaci v mozku dospělého člověka. Tyto PNN se nacházejí kolem určitých těl neuronových buněk a proximálních neuritů v centrálním nervovém systému. PNN hrají rozhodující roli při uzavírání kritických období a jejich trávení umožňuje znovuotevření těchto kritických období v mozku dospělého člověka. Jsou převážně negativně nabité a složené z proteoglykanů chondroitin sulfátu, molekul, které hrají klíčovou roli ve vývoji a plasticitě během postnatálního vývoje a u dospělého člověka.

Zdá se, že PNN jsou přítomny především v mozkové kůře, hipokampu, thalamu, mozkovém kmeni a míše. Studie mozku potkanů ukázaly, že mozková kůra obsahuje vysoký počet PNN v motorické a primární smyslové oblasti a relativně méně v asociační a limbické kůře. V mozkové kůře jsou PNN spojeny většinou s inhibičními interneurony a předpokládá se, že jsou zodpovědné za udržování excitační/inhibiční rovnováhy v mozku dospělých.

Existence PNN byla zapletena Golgim, Lugarem, Donaggiem, Martinottim, Ramónem y Cajalem a Meyerem. Nicméně Ramón y Cajal připisuje Golgimu objev PNN, protože byl první, kdo na ně upozornil a dal první přesný popis v roce 1893. Navíc Golgi přinesl zájem na toto téma kvůli svému názoru, že PNN nebyla neuronální struktura, ale spíše „druh korzetu neurokeratinu, který bránil šíření proudu z buňky na buňku“. Navzdory debatě na toto téma Ramón y Cajal tvrdil, že perineuronální síť byla prostě barvící artefakt odvozený od koagulace extracelulárních tekutin. Kvůli jeho vlivnému názoru v té době zájem o toto téma opadl.

Zájem vznikl v šedesátých letech, kdy několik autorů upozornilo na přítomnost periodicky-kyselo-Schiffova pozitivního (PAS-pozitivního) materiálu obklopujícího nervové buňky. Tento PAS-pozitivní materiál byl podezřelý z toho, že je složen z negativně nabitých látek, jako jsou chondroitin sulfátové proteoglykany (CSPG). Autoři se však drželi myšlenky, že materiál je složitě spojen s hematoencefalickou bariérou a neviděli podobnost, kterou měl s perineuronální sítí popsanou Golgim. Zájem znovu vzrostl až v několika posledních desetiletích, kdy se zjistilo, že PNN představují markery pro fyziologicky zralé neurony.

PNN jsou složeny z kondenzované matrice proteoglykanů chondroitin sulfátu, molekul, které se skládají z proteinu jádra a glykosaminoglykanového (GAG) řetězce. CS-GAG řetězce spojené s PNN se liší od těch, které se nacházejí v extracelulární matrici v nekondenzované formě. PNN se skládají z brevicanu, neurokanu, versikanu, aggrecanu, fosfokinu, hyaluronanu, tenascinu-R a různých proteinů vazeb. CSPG aggrecan, versikan, neurokan, breikan a fosfokan se vážou na hyaluronan. PNN nalezené v mozku i míše mají stejné složení. Chondroitináza ABC (ChABC), bakteriální enzym běžně používaný k trávení CSPG, působí tak, že katalyzuje odstranění CS-GAG řetězců CSPG.

V mozkové kůře a dalších subkortikálních oblastech obklopují PNN přednostně GABAergní interneurony obsahující vápník vázající protein parvalbumin. Nástup kritického období úzce koresponduje se vznikem parvalbumin-pozitivních buněk. Parvalbumin-pozitivní buňky synapsují na GABAA receptory obsahující α1 podjednotku. Bylo prokázáno, že GABAA receptory obsahující α1 podjednotku jsou jedinými GABAA receptory, které pohánějí kortikální plasticitu. Z tohoto důvodu se zprvu mělo za to, že PNN mají silnou roli v uzavření kritického období.

V dospělé CNS je nutná jemná regulace axonálního a dendritického růstu, aby byly zachovány důležité spoje a zároveň byla umožněna strukturální plasticita. Bylo zjištěno, že tuto funkci zprostředkovává několik proteinů asociovaných s myelinem a CSPG. Za účelem posouzení fyziologické role PNN v nepoškozené CNS byl ChABC injekčně aplikován do zdravého mozečku dospělých potkanů. V místě injekcí ChABC došlo k výraznému výrůstku koncových větví Purkyňových buněčných neuronů. Myelinizované axonové segmenty však nebyly ovlivněny a zůstaly v normálu. Klíčení Purkyňových axonů bylo poprvé patrné čtyři dny po degradaci CSPG. Během 42 dnů se exprese CSPG postupně obnovila, v tomto bodě výrůstek axonů ustoupil, což naznačuje, že nedošlo k významné tvorbě stabilních synaptických kontaktů. Zatímco CSPG jsou velmi důležité v neuroochraně, to naznačuje, že CSPG nemusí být jedinými molekulami důležitými pro zachování anatomické plasticity.

Omezení mobility AMPA receptorů

Buněčné povrchové proteiny, včetně neurotransmiterových receptorů, jsou v plazmatické membráně vysoce mobilní v důsledku laterální difuze. Rychlé pohyby AMPA-typu glutamátových receptorů (AMPAR) se podílejí na modulaci synaptického přenosu. Při použití receptoru dochází k jeho znecitlivění a po krátkou dobu není schopen efektivně pracovat. Difuze znecitlivěného receptoru pro výměnu naivního funkčního zvyšuje synaptickou fidelitu během rychlé repetitivní stimulace. PNN rozčleňují neuronální povrch a působí jako laterální difuzní bariéry pro AMPAR, omezující synaptickou výměnu. To může být částečně důvodem, proč je synaptická plasticita omezena, jakmile se PNN přeregulují.

Systém vyrovnávacích rezerv pro kationty

Většina parvalbumin-pozitivních neuronů obklopených PNN obsahuje také podjednotku draslíkového kanálu Kv3.1b. Tyto specifické buňky byly identifikovány jako rychle se zvětšující buňky. Tyto neurony mají nízký vstupní odpor buněčné membrány, vysoký klidový membránový potenciál, krátkou dobu trvání obou akčních potenciálů a refrakterní periodu, vysokou frekvenci palby a téměř konstantní amplitudu svých akčních potenciálů. Zdá se, že oba kanály Kv3.1 a PNN jsou potřebné pro rychle se zvětšující chování těchto neuronů. Tyto draslíkové kanály jsou důležité, protože vnější draslíkové proudy jsou zodpovědné za repolarizaci buněčné membrány během akčního potenciálu. Bylo prokázáno, že proudy Kv3.1 umožňují neuronu sledovat vysokofrekvenční stimulaci a/nebo generovat vysoké rychlosti palby bez adaptace hrotů, což jsou vlastnosti, které dobře sedí na rychle se zvětšující buňky. Tato charakteristika buněk je důležitá, protože blokáda Kv3.1b kanálu prokazatelně zpomaluje rychlost plasticity oční dominance.

PNN se svým silně záporným nábojem mohou sloužit jako kationtové výměníky zabraňující volnému šíření draselných nebo sodíkových iontů. Vzhledem k prostorovým, časovým a numerickým disproporcím mezi přítokem Na+ a výstupem K+ poskytuje PNN možný vyrovnávací systém pro extracelulární kationty. Tato hypotéza však musí být ještě prokázána.

PNN hrají důležitou roli v neuroplasticitě. Traumatické poranění CNS má za následek degeneraci denervovaných a poškozených neuronů, tvorbu jizvy po kloubu a vedlejší výrůstky přežívajících neuronů. Bylo prokázáno, že PNN inhibují regeneraci a výrůstky axonů. CSPG jsou hlavní inhibiční molekuly růstu axonů v jizvě po kloubu, které hrají roli v selhání regenerace axonu po poranění. V mozku a míše potkanů se po poranění zvyšuje exprese různých CSPG (brevican, versikan, neurocan a NG2). In vivo léčba ChABC má za následek posílení regenerace axonů (konkrétně dopaminergních neuronů) a podporu regenerace axonů a funkční obnovy po poranění míchy.

CSPG a PNN jsou také zapleteny do omezené plasticity přítomné po úrazu CNS. V mozečku potkanů podporuje aplikace ChABC strukturální plasticitu purkinských axonů. Po úrazu míchy vykazují potkani léčení ChABC strukturální a funkční obnovu v podobě zvýšeného růstu axonů do denervovaného území a obnovy motorických a močových funkcí. Plasticita neporušených oblastí v mozkovém kmeni a míše se také zvyšuje po úrazu míchy.

Plastičnost oční dominance

Kritické období je stádium, kdy je potřebné množství zkušeností pro správnou organizaci nervové dráhy. Absence těchto zkušeností může vést k trvalému vytváření nesprávných spojení. Klasickým modelem kritického období byl zrakový systém. Za normálních okolností obsahuje primární zraková kůra neurony uspořádané do sloupců s dominantními očními útvary, přičemž skupiny neuronů reagují přednostně na jedno nebo druhé oko. Pokud je dominantní oko zvířete zašito v raném věku a je udržováno zašité po celé kritické období zraku (monokulární deprivace), kortex trvale reaguje přednostně na oko, které zůstalo otevřené, což vede k posunu dominantní oční vrstvy. Pokud je však oko zašito po kritickém období, k posunu nedojde.

U potkanů trávení PNN pomocí bakteriálního enzymu chondroitinázy ABC reaktivuje zrakově kritické období. Konkrétně trávení PNN ve zrakové kůře dlouho po uzavření kritického období (postnatální den 70) reaktivovalo plasticitu kritického období a umožnilo posun dominance oka. Nicméně účinky monokulární deprivace v reaktivovaném případě nebyly tak silné jako monokulární deprivace během normálního kritického období. Navíc u dospělých potkanů, kteří byli monokulární deprivovaní od mládí, přineslo trávení PNN úplné strukturální a funkční zotavení (obnovení dominance oka, zrakové ostrosti a dendritické hustoty páteře). K tomuto zotavení však došlo až po sešití otevřeného oka, aby se mohla obnovit kortikální reprezentace deprivovaného oka.

Získávání strachu u zvířat se používá k modelování úzkostných poruch, jako je PTSD. Získávání strachu funguje tak, že se spáruje původně neutrální podnět s averzivním podnětem, což vede k dlouhotrvajícím vzpomínkám na strach. U dospělého zvířete vyvolávání strachu trvalou paměť odolnou vůči vymazání vyhynutím. Po vyhynutí se podmíněné reakce na strach mohou spontánně zotavit po opětovném přechodu na averzivní podnět. Naopak v raném postnatálním vývoji vede vyhynutí podmíněné reakce na strach k vymazání paměti. Organizace PNN v amygdale se shoduje s tímto přepnutím v odolnosti paměti na strach. U dospělého zvířete degradace PNN v amygdale pomocí ChABC činí následně získané vzpomínky na strach náchylné k vymazání. Pro ztrátu chování strachu byl nezbytný výcvik vyhynutí. Navíc vzpomínky na strach získané před degradací PNN nebyly ovlivněny jejich degradací.

Vývojové učení písní

Vývojové učení zpěvů je model používaný pro senzoricko-motorické kritické období. Učení zpěvů ptáků u pěnkavy probíhá v kritickém období podobném tomu u lidské řeči. Toto kritické období se vyskytuje ve dvou částech. První se skládá z rané percepční fáze, ve které jsou zvuky pouze zapamatovány. Následuje druhá senzoricko-motorická fáze, ve které se používá zpětná vazba k formování správných zvuků. V jádrech zpěvů HVC obklopuje přes 80% PNN parvalbumin-pozitivních neuronů. Přítomnost perineuronálních sítí předpovídá zralost zpěvu pěnkavy zebry, s větší hustotou PNN indikující zralejší píseň a pravděpodobně větší synaptickou stabilitu. Na rozdíl od zrakového kritického období rozsáhlé předběžné zkoumání ukázalo, že degradace PNN pomocí ChABC znovu neotvírá kritické období senzoricko-motorické plasticity. To lze přičíst dalším komplikujícím faktorům přítomným ve senzoricko-motorickém systému ve srovnání s čistě senzorickým systémem. U lidí jsou komplikace v kritickém období senzoricko-motorického projevu spojeny s poruchami, jako je autismus. Opětovné otevření kritického období u zebřích pěnkav může vést k objevům vedoucím k léčbě těchto poruch.

Epilepsie je chronická neurologická porucha charakterizovaná abnormální elektrickou aktivitou v mozku. Tato abnormální elektrická aktivita má za následek zvýšené plastické změny, které hrají roli v patogenezi onemocnění. Po záchvatech dochází k poklesu fosfátově a fosfátově pozitivních PNN a zvýšení štěpeného brevicanu ve spánkovém laloku a hipokampu. Záchvaty také zvyšují množství neurokanu o plné délce, CSPG se nachází pouze v neonatálním mozku. Tato degradace CSPG a PNN by mohla být zodpovědná za zvýšenou plasticitu spojenou s poruchou.

Po cévní mozkové příhodě dochází k určité zvýšené plasticitě, která vede k obnově určité funkce. V modelu potkana dochází po kortikální lézi ke snížení PNN v oblasti obklopující infarkt. Konkrétně dochází ke snížení CSPG aggrecanu, versikanu a fosfátu a akumulaci neurokanu o plné délce. K této snížené regulaci PNN dochází také v oblastech mozku tak vzdálených, jako je thalamus. Degradace PNN může být zodpovědná za zvýšenou plasticitu pozorovanou po cévní mozkové příhodě. Jedním z problémů typické obnovy cévní mozkové příhody je typické období zvýšené plasticity, které obecně není dostatečně dlouhé, aby pacientům po cévní mozkové příhodě umožnilo přijatelnou obnovu funkce. Jednou z možných léčebných strategií může být degradace PNN na delší dobu, která umožní větší obnovu.

Zdá se, že u Alzheimerovy choroby hraje CSPG několik rolí. PNN mohou poskytovat ochranu proti excitotoxicitě, oxidačnímu stresu a tvorbě neurofibrilárních motýlů. Existují protichůdné zprávy o počtu PNN v lidském mozku s Alzheimerovou chorobou, některé studie uvádějí snížení a jiné nehlásí žádnou změnu. Neexistuje jasná shoda, pokud jde o citlivost parvalbumin-pozitivních neuronů, tedy většiny neuronů obklopených PNN. Bylo však zjištěno, že PNN se lokalizují jak u amyloidních plaků, tak u neurofibrilárních motýlů. Vzhledem k tomu, že amyloidní plaky se podílejí na progresi Alzheimerovy choroby, naznačuje to, že PNN jsou buď nápomocné při jejich tvorbě, nebo jsou reakcí na jejich tvorbu. In vitro studie ukázaly, že CSPG podporují tvorbu beta amyloidních fibrilů. Vzhledem k tomu, že beta amyloid je silným stimulantem produkce CSPG a CSPG inhibují růst neuronů a synaptickou plasticitu, může to vést ke snížení axonové hustoty a synaptické ztrátě u Alzheimerovy choroby.