Ефапс: відмінності між версіями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Інтерактивний перегляд історії
[перевірена версія][неперевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Немає опису редагування
Створено шляхом перекладу сторінки «Ephaptic coupling»
Рядок 1: Рядок 1:
'''Ефа́пс, ефаптичний зв'язок, ефаптичне спряження''' (en. ephaptic coupling) електрична взаємодія між [[Нейрон|нейронами]], які не контактують один з одним [[Синапс|синаптично]]. Це може стосуватися з’єднання сусідніх (дотикових) нервових волокон, спричинених обміном іонів між клітинами, або може стосуватися сполучення нервових волокон внаслідок локальних електричних полів. <ref name="Aur and Jog">Aur D., Jog, MS. (2010) ''Neuroelectrodynamics: Understanding the brain language'', IOS Press, {{DOI|10.3233/978-1-60750-473-3-i}}</ref> В будь-якому випадку ефаптична зв'язка може впливати на синхронізацію та час [[Потенціал дії|дії]] випалу [[Потенціал дії|потенціалу]] в нейронах. [[Мієлін|Мієлінізації]], як вважає, інгібують ефаптіческую взаємодії. <ref name="pmid19737435">{{Cite journal|vauthors=Hartline DK|date=May 2008|title=What is myelin?|journal=Neuron Glia Biology|volume=4|issue=2|pages=153–63|doi=10.1017/S1740925X09990263|pmid=19737435}}</ref>
'''Ефа́пс''' чи '''ефаптичне спряження'''&nbsp;— електрична взаємодія між [[нейрон]]ами, які не контактують один з одним [[синапс|синаптично]]. Вхід та вихід іонів через мембрану нервової клітини не тільки змінює [[мембранний потенціал]] цієї клітини, але й генерує позаклітинні електричні потенціали, які можуть впливати на сусідні клітини.<ref name="HanGuo2018">{{cite journal|last1=Han|first1=Kyung-Seok|last2=Guo|first2=Chong|last3=Chen|first3=Christopher H.|last4=Witter|first4=Laurens|last5=Osorno|first5=Tomas|last6=Regehr|first6=Wade G.|title=Ephaptic Coupling Promotes Synchronous Firing of Cerebellar Purkinje Cells|journal=Neuron|volume=100|issue=3|year=2018|pages=564–578.e3|issn=08966273|doi=10.1016/j.neuron.2018.09.018}}{{ref-en}}</ref> Ці потенціали затухають по мірі віддалення від нейрона, але, тим не менш, генерують [[електричне поле]]. Цього поля недостатньо для появи [[потенціал дії|потенціалу дії]] в клітині, яка знаходиться в стані спокою, проте поля, що створюються синхронними змінами потенціалів у багатьох клітинах, можуть суттєво змінювати часові характеристики вже створених потенціалів. Припускається, що ефапси можуть відігравати роль в утворенні {{нп|локальний польовий потенціал|локального польового потенціалу||Local field potential}}, який раніше приписували виключно синаптичній активності.<ref name="AnastassiouPerin2011">{{cite journal|last1=Anastassiou|first1=Costas A|last2=Perin|first2=Rodrigo|last3=Markram|first3=Henry|last4=Koch|first4=Christof|title=Ephaptic coupling of cortical neurons|journal=Nature Neuroscience|volume=14|issue=2|year=2011|pages=217–223|issn=1097-6256|doi=10.1038/nn.2727}}{{ref-en}}</ref>


== Історія та етимологія ==
Ефаптичні явища зрідка враховують у побудові моделей міжнейронних зв'язків, оскільки вважалося, ніби їхній вплив на потенціали дії, що передаються через синапси, є невеликим. Проте до 2019 року накопичилося чимло свідоцтв, що вплив низькочастотних осциляцій позаклітинних полів може бути значним.<ref name="ShifmanLewis2019">{{cite journal|last1=Shifman|first1=Aaron R.|last2=Lewis|first2=John E.|title=ELFENN: A Generalized Platform for Modeling Ephaptic Coupling in Spiking Neuron Models|journal=Frontiers in Neuroinformatics|volume=13|year=2019|issn=1662-5196|doi=10.3389/fninf.2019.00035}}{{ref-en}}</ref> Зокрема було показано, що в плодових мух несинаптичні електричні поля впливають на обробку сигналу в нюховому аналізаторі<ref name="SuMenuz2012">{{cite journal|last1=Su|first1=Chih-Ying|last2=Menuz|first2=Karen|last3=Reisert|first3=Johannes|last4=Carlson|first4=John R.|title=Non-synaptic inhibition between grouped neurons in an olfactory circuit|journal=Nature|volume=492|issue=7427|year=2012|pages=66–71|issn=0028-0836|doi=10.1038/nature11712}}{{ref-en}}</ref>.
Ідея про те, що електрична активність, породжена нервовою тканиною, може впливати на активність навколишньої нервової тканини, датується кінцем 19 століття. Ранні експерименти Дю Буа-Реймонда, <ref name="Biedermann">{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=iuzOkaDrC5gC&pg=PA270|title=Electro-physiology|last=Wilhelm Biedermann|year=1898|publisher=Macmillan|pages=270–}}</ref> продемонстрували, що збудження первинного нерва може активувати сусідній вторинний нерв (так зване "вторинне збудження"). Однак цей ефект не був досліджений кількісно до експериментів Катца та Шмітта <ref name="Katz">{{Cite journal|vauthors=Katz B, Schmitt OH|date=February 1940|title=Electric interaction between two adjacent nerve fibres|journal=J. Physiol. (Lond.)|volume=97|issue=4|pages=471–88|doi=10.1113/jphysiol.1940.sp003823|pmc=1393925|pmid=16995178}}</ref> у 1940 р., Коли вони дослідили електричну взаємодію двох сусідніх нервів кінцівок краба ''[[Трав'яний краб прибережний|Carcinus maenas]]'' . Їх робота показала, що прогресування [[Потенціал дії|потенціалу дії]] в активному аксоні спричиняло зміни збудливості неактивного аксона. Ці зміни були віднесені до [[Потенціал дії|локальних струмів,]] які формують потенціал дії. Наприклад, струми, які спричинили деполяризацію (збудження) активного нерва, викликали відповідну гіперполяризацію (депресію) сусіднього спокійного волокна. Аналогічно, струми, які спричинили реполяризацію активного нерва, викликали незначну деполяризацію у волокні спокою. Кац і Шмітт також помітили, що стимуляція обох нервів може спричинити перешкоди. Одночасна активація потенціалу спричиняла перешкоди і призводила до зменшення швидкості проведення, тоді як легке зміщення стимуляції призводило до синхронізації двох імпульсів.


У 1941 році Арванітакі <ref name="Arvanitaki1942">{{Cite journal|vauthors=Arvanitaki A|year=1942|title=Effects Evoked in an Axon by the Activity of a Contiguous One|journal=Journal of Neurophysiology|volume=5|issue=2|pages=89–108|doi=10.1152/jn.1942.5.2.89|issn=0022-3077}}</ref> дослідив цю ж тему і запропонував використовувати термін "ефапс" (від грецького ephapsis і означає "доторкнутися"), щоб описати це явище і відрізнити його від синаптичної передачі. З часом термін ефаптичний зв'язок став використовуватися не тільки у випадках електричної взаємодії між сусідніми елементами, але й більш загально для опису ефектів, викликаних будь-якими змінами поля вздовж клітинної мембрани. <ref name="pmid7480159">{{Cite journal|vauthors=Jefferys JG|date=October 1995|title=Nonsynaptic modulation of neuronal activity in the brain: electric currents and extracellular ions|journal=Physiol. Rev.|volume=75|issue=4|pages=689–723|doi=10.1152/physrev.1995.75.4.689|pmid=7480159}}</ref>
== Джерела ==
{{Примітки}}


== Механізм та ефекти ==
{{neuroscience-stub}}
Рання робота, проведена Катцом і Шміттом, продемонструвала, що ефаптичний зв'язок між двома сусідніми нервами був недостатнім для стимулювання потенціалу дії в спокійному нерві. В ідеальних умовах максимальна спостережувана деполяризація становила приблизно 20% від порогового стимулу . <ref name="Katz">{{Cite journal|vauthors=Katz B, Schmitt OH|date=February 1940|title=Electric interaction between two adjacent nerve fibres|journal=J. Physiol. (Lond.)|volume=97|issue=4|pages=471–88|doi=10.1113/jphysiol.1940.sp003823|pmc=1393925|pmid=16995178}}</ref> Однак умовами можна маніпулювати таким чином, що потенціал дії від одного нейрона може поширюватися на сусідній нейрон. Це було здійснено в одному дослідженні в двох експериментальних випадках:


1) збільшення концентрації кальцію, що знижувало пороговий потенціал;
⚫
[[Категорія:Нервова система]]

[[Категорія:Нейронні мережі]]
2) занурення аксонів у мінеральне масло, що підвищувало стійкість.

Хоча ці маніпуляції не відображають нормальних умов, вони виділяють механізми збудження ефаптики. <ref name="ReferenceA">{{Cite journal|vauthors=Ramón F, Moore JW|year=1978|title=Ephaptic transmission in squid giant axons|journal=Am. J. Physiol.|volume=234|issue=5|pages=C162–9|doi=10.1152/ajpcell.1978.234.5.C162|pmid=206154}}</ref>

Було встановлено, що ефаптичний зв'язок також відіграє важливу роль у гальмуванні сусідніх нейронів. Залежно від місця розташування та ідентичності нейронів, було виявлено, що різні механізми лежать в основі ефаптичного гальмування. В одному з досліджень, щойно збуджені сусідні нейрони втручалися у вже стійкі струми, знижуючи, таким чином, позаклітинний потенціал та деполяризуючи нейрон щодо навколишнього середовища, ефективно гальмуючи поширення потенціалу дії. <ref name="ReferenceB">{{Cite journal|vauthors=Van der Goes van Naters W|year=2013|title=Inhibition among olfactory receptor neurons|journal=Front Hum Neurosci|volume=7|issue=|pages=690|doi=10.3389/fnhum.2013.00690|pmc=3805947|pmid=24167484}}</ref>

=== Роль у синхронізації та часовому розподіленні ===
Дослідження ефаптичного зчеплення також зосереджувались на його ролі в синхронізації та терміні потенціалів дії в нейронах. У більш простому випадку сусідніх волокон, які відчувають одночасну стимуляцію, імпульс сповільнюється, оскільки обидва волокна обмежені обміном іонів виключно з інтерстиціальною рідиною (збільшуючи опір нерва). Злегка зміщені імпульси (швидкості провідності, що відрізняються менше ніж на 10%) здатні конструктивно обмінюватися іонами, і потенціали дії трохи поширюються поза фазою з однаковою швидкістю.

Однак більш новітні дослідження були зосереджені на більш загальному випадку електричних полів, які впливають на різні нейрони. Було помічено, що локальні потенціали поля в нейронах кори можуть служити для синхронізації активності нейронів. <ref name="Anastassiou">{{Cite journal|vauthors=Anastassiou CA, Perin R, Markram H, Koch C|date=February 2011|title=Ephaptic coupling of cortical neurons|journal=Nat. Neurosci.|volume=14|issue=2|pages=217–23|doi=10.1038/nn.2727|pmid=21240273}} ([http://www.gatsby.ucl.ac.uk/~beierh/neuro_jc/Anastassiou_etal11_EphapticCoupling.pdf direct link to full text])</ref> Хоча механізм невідомий, можна припустити, що нейрони ефаптично пов'язані з частотами потенціалу локального поля. Це з'єднання може ефективно синхронізувати нейрони в періоди підвищеної збудливості (або депресії) і допускати конкретні зразки потенціалу часу дії (часто його називають сплеском часу). Цей ефект був продемонстрований і змодельований у різних випадках. <ref name="pmid17360926">{{Cite journal|vauthors=Radman T, Su Y, An JH, Parra LC, Bikson M|date=March 2007|title=Spike timing amplifies the effect of electric fields on neurons: implications for endogenous field effects|journal=J. Neurosci.|volume=27|issue=11|pages=3030–6|doi=10.1523/JNEUROSCI.0095-07.2007|pmc=6672570|pmid=17360926}}</ref> <ref name="pmid20130201">{{Cite journal|vauthors=Anastassiou CA, Montgomery SM, Barahona M, Buzsáki G, Koch C|date=February 2010|title=The effect of spatially inhomogeneous extracellular electric fields on neurons|journal=J. Neurosci.|volume=30|issue=5|pages=1925–36|doi=10.1523/JNEUROSCI.3635-09.2010|pmc=6633973|pmid=20130201}}</ref>

Гіпотеза чи пояснення механізму - це "односторонній", "ведучий-підлеглий" або "односпрямована синхронізація", як математична та основна властивість нелінійних динамічних систем (коливань, як нейрони) синхронізуватися за певними критеріями. Таке явище було запропоновано і передбачено, як можливе між двома HR нейронами, після моделювання і симуляції роботи Hrg у 2010 році. <ref name="pmid23454921">{{Cite journal|vauthors=Hrg D|date=April 2013|title=Synchronization of two Hindmarsh-Rose neurons with unidirectional coupling|journal=Neural Netw|volume=40|issue=|pages=73–9|doi=10.1016/j.neunet.2012.12.010|pmid=23454921}}</ref> Було також показано, що така однонаправлена синхронізація або передача копії / вставки нейронної динаміки від головного нейрону до підлеглого(-их) може бути показана різними способами. Отже, явище викликає не лише фундаментальний інтерес, але й застосовується - від лікування епілепсії до нових систем навчання. Синхронізація нейронів - це в принципі небажана поведінка, оскільки мозок мав би нульову інформацію або був би просто лампочкою, якби всі нейрони синхронізувались. Звідси випливає гіпотеза, що нейробіологія та еволюція мозку справлялися із способами запобігання такої синхронної поведінки у великих масштабах, використовуючи її, скоріше, в інших особливих випадках.

== Приклади ==

=== Серцева тканина ===
Система [[Провідна система серця|електропровідності серця]] була міцно налагоджена. Однак новіші дослідження кидають виклик деяким раніше прийнятим моделям. Роль ефаптичного зчеплення в серцевих клітинах стає все очевиднішою. Один автор навіть йде так далеко, що каже: "Хоча раніше розглядається як можлива альтернатива електротонічному зчепленню, з тих пір ефаптичний зв'язок розглядається як функціонування в тандемі з розривами зазорів, що допомагає підтримувати провідність, коли компромісне з'єднання зазорів порушено". <ref name="pmid24414064">{{Cite journal|vauthors=Veeraraghavan R, Gourdie RG, Poelzing S|date=March 2014|title=Mechanisms of cardiac conduction: a history of revisions|journal=Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol.|volume=306|issue=5|pages=H619–27|doi=10.1152/ajpheart.00760.2013|pmc=3949060|pmid=24414064}}</ref> Ефаптичні взаємодії між серцевими клітинами допомагають заповнити прогалини, до яких електричні синапси самостійно не можуть дійти. Існує також ряд математичних моделей, які останнім часом включають ефаптичний зв'язок у передбачення про електропровідність серця. <ref name="ReferenceC">{{Cite journal|vauthors=Lin J, Keener JP|year=2010|title=Modeling electrical activity of myocardial cells incorporating the effects of ephaptic coupling|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume=107|issue=49|pages=20935–40|bibcode=2010PNAS..10720935L|doi=10.1073/pnas.1010154107|pmc=3000303|pmid=21078961}}</ref> Експериментальна робота дозволяє припустити, що нанодомени, багаті натрієвими каналами, розташовані в місцях тісного контакту між міоцитами серця, можуть становити функціональні одиниці ефаптичного зчеплення, а селективне порушення цих нанодоменів призвело до уповільнення аритмогенної провідності, що свідчить про важливу роль для ефапії в серці. <ref name="ReferenceQ">{{Cite journal|vauthors=Veeraraghavan R, Hoeker GS, Alvarez-Laviada A, Hoagland D, Wan X, King DR, Sanchez-Alonso J, Chen C, Jourdan J, Isom LL, Deschenes I, Smyth JW, Gorelik J, Poelzing S, Gourdie RG|year=2018|title=The adhesion function of the sodium channel beta subunit (β1) contributes to cardiac action potential propagation|journal=eLife|volume=7|doi=10.7554/eLife.37610|pmc=6122953|pmid=30106376}}</ref>

=== Епілепсія та судоми ===
Епілептичні припадки виникають при синхронності електричних хвиль у мозку. Знаючи роль, яку ефапс відіграє у підтримці синхронічності в електричних сигналах, має сенс шукати ефаптичні механізми при цьому типі патології. Одне дослідження припустило, що клітини кори є ідеальним місцем для спостереження за ефаптичним зчепленням завдяки щільній упаковці аксонів, що дозволяє взаємодіяти між їх електричними полями. Вони перевірили вплив зміни позаклітинного простору (що впливає на локальні електричні поля) і встановили, що можна блокувати епілептичну синхронізацію, незалежну від хімічної маніпуляції синапсом, просто збільшуючи простір між клітинами. <ref name="pmid10873292">{{Cite journal|vauthors=Dudek FE, Yasumura T, Rash JE|date=November 1998|title='Non-synaptic' mechanisms in seizures and epileptogenesis|journal=Cell Biol. Int.|volume=22|issue=11–12|pages=793–805|doi=10.1006/cbir.1999.0397|pmid=10873292}}</ref> Пізніше була створена модель для прогнозування цього явища та показали сценарії з більшим позаклітинним інтервалом, що ефективно блокувало епілептичну синхронізацію в мозку. <ref name="pmid25673735">{{Cite journal|vauthors=Stacey RG, Hilbert L, Quail T|date=May 2015|title=Computational study of synchrony in fields and microclusters of ephaptically coupled neurons|journal=J. Neurophysiol.|volume=113|issue=9|pages=3229–41|doi=10.1152/jn.00546.2014|pmc=4440237|pmid=25673735}}</ref>

=== Нюхова система мозку ===
Нейрони в нюховій системі немієлінізовані і щільно упаковані, і тому часто невеликі ефекти ефаптичного зчеплення легше помітні. Ряд досліджень показав, як гальмування серед нейронів у нюховій системі інтегрує сигнали у відповідь на запах. Показано, що це гальмування відбувається лише через зміни електричних потенціалів. <ref name="ReferenceB">{{Cite journal|vauthors=Van der Goes van Naters W|year=2013|title=Inhibition among olfactory receptor neurons|journal=Front Hum Neurosci|volume=7|issue=|pages=690|doi=10.3389/fnhum.2013.00690|pmc=3805947|pmid=24167484}}</ref> Додавання ефаптичного зв'язку до нюхових моделей нейронів додає подальшої підтримки моделі "виділеної лінії", в якій кожен нюховий рецептор посилає свій сигнал одному нейрону. Пригнічення внаслідок ефаптичного зчеплення допоможе врахувати інтеграцію сигналів, що спричиняє більш нюансове сприйняття запахів. <ref name="pmid11588203">{{Cite journal|vauthors=Bokil H, Laaris N, Blinder K, Ennis M, Keller A|date=October 2001|title=Ephaptic interactions in the mammalian olfactory system|journal=J. Neurosci.|volume=21|issue=20|pages=RC173|doi=10.1523/JNEUROSCI.21-20-j0004.2001|pmc=6763860|pmid=11588203}}</ref>

== Математичні моделі ==
Через дуже малі електричні поля, що виробляються нейронами, математичні моделі часто використовуються для перевірки ряду маніпуляцій. [[Кабельна теорія дендритів|Теорія кабелів]] - одне з найважливіших математичних рівнянь нейронауки. <ref name="pmid24032866">{{Cite journal|vauthors=Bédard C, Destexhe A|date=August 2013|title=Generalized cable theory for neurons in complex and heterogeneous media|journal=Phys Rev E|volume=88|issue=2|pages=022709|arxiv=1304.5674|bibcode=2013PhRvE..88b2709B|doi=10.1103/PhysRevE.88.022709|pmid=24032866}}</ref> Вона обчислює електричний струм, використовуючи ємність та опір як змінні, і була основою для багатьох прогнозів щодо ефаптичного зв’язку в нейронах. Однак багато авторів працювали над створенням більш вдосконалених моделей, щоб більш точно представити оточення нервової системи. Наприклад, багато авторів запропонували моделі серцевої тканини, що включають додаткові змінні, що враховують унікальну структуру та геометрію серцевих клітин <ref name="ReferenceC">{{Cite journal|vauthors=Lin J, Keener JP|year=2010|title=Modeling electrical activity of myocardial cells incorporating the effects of ephaptic coupling|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume=107|issue=49|pages=20935–40|bibcode=2010PNAS..10720935L|doi=10.1073/pnas.1010154107|pmc=3000303|pmid=21078961}}</ref> змінюють масштаби розміру, <ref name="pmid20671202">{{Cite journal|vauthors=Hand PE, Griffith BE|date=August 2010|title=Adaptive multiscale model for simulating cardiac conduction|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume=107|issue=33|pages=14603–8|bibcode=2010PNAS..10714603H|doi=10.1073/pnas.1008443107|pmc=2930419|pmid=20671202}}</ref> або тривимірну електродифузію. <ref name="pmid18434544">{{Cite journal|vauthors=Mori Y, Fishman GI, Peskin CS|date=April 2008|title=Ephaptic conduction in a cardiac strand model with 3D electrodiffusion|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume=105|issue=17|pages=6463–8|bibcode=2008PNAS..105.6463M|doi=10.1073/pnas.0801089105|pmc=2359793|pmid=18434544}}</ref>

== Моделі у тварин ==

=== Гігантські аксони кальмарів ===
У 1978 році були проведені основні випробування на гігантських аксонах кальмарів, щоб знайти докази ефаптичних подій. Було показано, що потенціал дії одного аксона може бути поширений на сусідній аксон. Рівень передачі змінювався: від змін нижнього порогового рівня до ініціації потенціалу дії в сусідній клітині, але у всіх випадках було очевидно, що є наслідки ефаптичного зв'язку, які мають фізіологічне значення. <ref name="ReferenceA">{{Cite journal|vauthors=Ramón F, Moore JW|year=1978|title=Ephaptic transmission in squid giant axons|journal=Am. J. Physiol.|volume=234|issue=5|pages=C162–9|doi=10.1152/ajpcell.1978.234.5.C162|pmid=206154}}</ref>

=== Спинний і довгастий мозок щура ===
В одному дослідженні було випробувано ефекти ефаптичного зчеплення, використовуючи як антагоністи нейромедіаторів для блокування хімічних синапсів, так і блокатори щілин для блокування електричних синапсів. Було встановлено, що ритмічний електричний розряд, пов'язаний з нейронами плода, у спинному мозку та мозку щура все ще зберігається. Це говорить про те, що зв’язки між нейронами все ще існують і працюють над поширенням сигналів навіть без традиційних синапсів. Ці висновки підтримують модель, в якій ефаптичне сполучення працює поряд з канонічними синапсами для розповсюдження сигналів через нейронні мережі. <ref name="pmid16148265">{{Cite journal|vauthors=Ren J, Momose-Sato Y, Sato K, Greer JJ|date=January 2006|title=Rhythmic neuronal discharge in the medulla and spinal cord of fetal rats in the absence of synaptic transmission|journal=J. Neurophysiol.|volume=95|issue=1|pages=527–34|doi=10.1152/jn.00735.2005|pmid=16148265}}</ref>

=== Клітини Пуркіньє у мозжечку пацюків ===
Один з небагатьох відомих випадків функціональної системи, в якій ефаптична зв'язка відповідає за явну фізіологічну подію - це клітини Пуркіньє мозжечка щурів. <ref name="pmid6255484">{{Cite journal|vauthors=Korn H, Axelrad H|date=October 1980|title=Electrical inhibition of Purkinje cells in the cerebellum of the rat|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume=77|issue=10|pages=6244–7|bibcode=1980PNAS...77.6244K|doi=10.1073/pnas.77.10.6244|pmc=350252|pmid=6255484}}</ref> У цьому дослідженні було продемонстровано, що [[Корзинчасті нейрони|клітини кошика,]] які інкапсулюють деякі ділянки волокон Пуркіньє, можуть спричиняти інгібуючі дії на клітини Пуркіньє. Збудження цих клітин кошика, яке відбувається швидше, ніж у клітинах Пуркіньє, притягує струм по клітині Пуркіньє і генерує пасивний гіперполяризуючий потенціал, який гальмує активність клітини Пуркіньє. Хоча точна функціональна роль цього гальмування досі не з'ясована, це може мати синхронізуючий ефект у клітинах Пуркіньє, оскільки ефаптичний ефект обмежить час збудження.

Аналогічний ефаптіческую ефект був вивчений в клітинах Маутнера з [[Костисті риби|костистих риб]] . <ref name="pmid2546168">{{Cite journal|vauthors=Faber DS, Korn H|date=July 1989|title=Electrical field effects: their relevance in central neural networks|journal=Physiol. Rev.|volume=69|issue=3|pages=821–63|doi=10.1152/physrev.1989.69.3.821|pmid=2546168}}</ref>

== Скептицизм ==
Хоча ідея несинаптичних взаємодій між нейронами існує з 19 століття, історично було багато скептицизму в галузі нейронауки. Багато людей вважали, що мікроелектричні поля, що виробляються самими нейронами, були настільки малі, що вони були незначними. <ref name="pmid11588203">{{Cite journal|vauthors=Bokil H, Laaris N, Blinder K, Ennis M, Keller A|date=October 2001|title=Ephaptic interactions in the mammalian olfactory system|journal=J. Neurosci.|volume=21|issue=20|pages=RC173|doi=10.1523/JNEUROSCI.21-20-j0004.2001|pmc=6763860|pmid=11588203}}</ref> Хоча багато прихильників теорії ефаптичного зв’язку намагаються довести її існування шляхом експериментів, що блокують як хімічні, так і електричні синапси, все ж деякі противники на місцях висловлюють обережність. Наприклад, у 2014 році один вчений опублікував рецензію, в якій виклав скептицизм до ідеї ефаптичного з’єднання, сказавши: «Згода між їх моделюванням та даними Поелзінга вражає, але мені знадобиться більш остаточне експериментальне підтвердження, перш ніж я зможу прийняти ефаптичну гіпотезу». <ref name="pmid24559978">{{Cite journal|vauthors=Roth BJ|date=February 2014|title=Does ephaptic coupling contribute to propagation in cardiac tissue?|journal=Biophys. J.|volume=106|issue=4|pages=774–5|bibcode=2014BpJ...106..774R|doi=10.1016/j.bpj.2014.01.011|pmc=3944891|pmid=24559978}}</ref> Він висловлює свою обережність у бажанні більшого розрізнення між поширенням сигналу між щілинами і справжнім ефаптичним з'єднанням. Незалежно від того, чи справді це відсутність доказів чи просто утриманство в умовах змін, багато хто в цій галузі все ще не зовсім впевнені, що є однозначні докази ефаптичної зв'язку. Дослідження тривають і з 2018 році були оголошені цікаві результати <ref>{{Cite journal|last=Chiang|first=Chia-Chu|last2=Shivacharan|first2=Rajat S.|last3=Wei|first3=Xile|last4=Gonzalez-Reyes|first4=Luis E.|last5=Durand|first5=Dominique M.|year=2019|title=Slow periodic activity in the longitudinal hippocampal slice can self-propagate non-synaptically by a mechanism consistent with ephaptic coupling|journal=The Journal of Physiology|volume=597|issue=1|pages=249–269|doi=10.1113/JP276904|pmc=6312416|pmid=30295923}}</ref>

== Дивись також ==

* Солодопровідність
* [[Електроенцефалографія]]
* Когерентність поля колоса
* [[Нервове кодування|NeuroElectroDynamics]]
* [[Кабельна теорія дендритів|Теорія кабелів]]
* Місцевий потенціал поля

== Список літератури ==
{{Reflist|30em}}
⚫
[[Категорія:Нейрофізіологія]]
[[Категорія:Сторінки із неперевіреними перекладами]]

Версія за 12:25, 17 травня 2020

Ефа́пс, ефаптичний зв'язок, ефаптичне спряження (en. ephaptic coupling) електрична взаємодія між нейронами, які не контактують один з одним синаптично. Це може стосуватися з’єднання сусідніх (дотикових) нервових волокон, спричинених обміном іонів між клітинами, або може стосуватися сполучення нервових волокон внаслідок локальних електричних полів. [1] В будь-якому випадку ефаптична зв'язка може впливати на синхронізацію та час дії випалу потенціалу в нейронах. Мієлінізації, як вважає, інгібують ефаптіческую взаємодії. [2]

Історія та етимологія

Ідея про те, що електрична активність, породжена нервовою тканиною, може впливати на активність навколишньої нервової тканини, датується кінцем 19 століття. Ранні експерименти Дю Буа-Реймонда, [3] продемонстрували, що збудження первинного нерва може активувати сусідній вторинний нерв (так зване "вторинне збудження"). Однак цей ефект не був досліджений кількісно до експериментів Катца та Шмітта [4] у 1940 р., Коли вони дослідили електричну взаємодію двох сусідніх нервів кінцівок краба Carcinus maenas . Їх робота показала, що прогресування потенціалу дії в активному аксоні спричиняло зміни збудливості неактивного аксона. Ці зміни були віднесені до локальних струмів, які формують потенціал дії. Наприклад, струми, які спричинили деполяризацію (збудження) активного нерва, викликали відповідну гіперполяризацію (депресію) сусіднього спокійного волокна. Аналогічно, струми, які спричинили реполяризацію активного нерва, викликали незначну деполяризацію у волокні спокою. Кац і Шмітт також помітили, що стимуляція обох нервів може спричинити перешкоди. Одночасна активація потенціалу спричиняла перешкоди і призводила до зменшення швидкості проведення, тоді як легке зміщення стимуляції призводило до синхронізації двох імпульсів.

У 1941 році Арванітакі [5] дослідив цю ж тему і запропонував використовувати термін "ефапс" (від грецького ephapsis і означає "доторкнутися"), щоб описати це явище і відрізнити його від синаптичної передачі. З часом термін ефаптичний зв'язок став використовуватися не тільки у випадках електричної взаємодії між сусідніми елементами, але й більш загально для опису ефектів, викликаних будь-якими змінами поля вздовж клітинної мембрани. [6]

Механізм та ефекти

Рання робота, проведена Катцом і Шміттом, продемонструвала, що ефаптичний зв'язок між двома сусідніми нервами був недостатнім для стимулювання потенціалу дії в спокійному нерві. В ідеальних умовах максимальна спостережувана деполяризація становила приблизно 20% від порогового стимулу . [4] Однак умовами можна маніпулювати таким чином, що потенціал дії від одного нейрона може поширюватися на сусідній нейрон. Це було здійснено в одному дослідженні в двох експериментальних випадках:

1) збільшення концентрації кальцію, що знижувало пороговий потенціал;

2) занурення аксонів у мінеральне масло, що підвищувало стійкість.

Хоча ці маніпуляції не відображають нормальних умов, вони виділяють механізми збудження ефаптики. [7]

Було встановлено, що ефаптичний зв'язок також відіграє важливу роль у гальмуванні сусідніх нейронів. Залежно від місця розташування та ідентичності нейронів, було виявлено, що різні механізми лежать в основі ефаптичного гальмування. В одному з досліджень, щойно збуджені сусідні нейрони втручалися у вже стійкі струми, знижуючи, таким чином, позаклітинний потенціал та деполяризуючи нейрон щодо навколишнього середовища, ефективно гальмуючи поширення потенціалу дії. [8]

Роль у синхронізації та часовому розподіленні

Дослідження ефаптичного зчеплення також зосереджувались на його ролі в синхронізації та терміні потенціалів дії в нейронах. У більш простому випадку сусідніх волокон, які відчувають одночасну стимуляцію, імпульс сповільнюється, оскільки обидва волокна обмежені обміном іонів виключно з інтерстиціальною рідиною (збільшуючи опір нерва). Злегка зміщені імпульси (швидкості провідності, що відрізняються менше ніж на 10%) здатні конструктивно обмінюватися іонами, і потенціали дії трохи поширюються поза фазою з однаковою швидкістю.

Однак більш новітні дослідження були зосереджені на більш загальному випадку електричних полів, які впливають на різні нейрони. Було помічено, що локальні потенціали поля в нейронах кори можуть служити для синхронізації активності нейронів. [9] Хоча механізм невідомий, можна припустити, що нейрони ефаптично пов'язані з частотами потенціалу локального поля. Це з'єднання може ефективно синхронізувати нейрони в періоди підвищеної збудливості (або депресії) і допускати конкретні зразки потенціалу часу дії (часто його називають сплеском часу). Цей ефект був продемонстрований і змодельований у різних випадках. [10] [11]

Гіпотеза чи пояснення механізму - це "односторонній", "ведучий-підлеглий" або "односпрямована синхронізація", як математична та основна властивість нелінійних динамічних систем (коливань, як нейрони) синхронізуватися за певними критеріями. Таке явище було запропоновано і передбачено, як можливе між двома HR нейронами, після моделювання і симуляції роботи Hrg у 2010 році. [12] Було також показано, що така однонаправлена синхронізація або передача копії / вставки нейронної динаміки від головного нейрону до підлеглого(-их) може бути показана різними способами. Отже, явище викликає не лише фундаментальний інтерес, але й застосовується - від лікування епілепсії до нових систем навчання. Синхронізація нейронів - це в принципі небажана поведінка, оскільки мозок мав би нульову інформацію або був би просто лампочкою, якби всі нейрони синхронізувались. Звідси випливає гіпотеза, що нейробіологія та еволюція мозку справлялися із способами запобігання такої синхронної поведінки у великих масштабах, використовуючи її, скоріше, в інших особливих випадках.

Приклади

Серцева тканина

Система електропровідності серця була міцно налагоджена. Однак новіші дослідження кидають виклик деяким раніше прийнятим моделям. Роль ефаптичного зчеплення в серцевих клітинах стає все очевиднішою. Один автор навіть йде так далеко, що каже: "Хоча раніше розглядається як можлива альтернатива електротонічному зчепленню, з тих пір ефаптичний зв'язок розглядається як функціонування в тандемі з розривами зазорів, що допомагає підтримувати провідність, коли компромісне з'єднання зазорів порушено". [13] Ефаптичні взаємодії між серцевими клітинами допомагають заповнити прогалини, до яких електричні синапси самостійно не можуть дійти. Існує також ряд математичних моделей, які останнім часом включають ефаптичний зв'язок у передбачення про електропровідність серця. [14] Експериментальна робота дозволяє припустити, що нанодомени, багаті натрієвими каналами, розташовані в місцях тісного контакту між міоцитами серця, можуть становити функціональні одиниці ефаптичного зчеплення, а селективне порушення цих нанодоменів призвело до уповільнення аритмогенної провідності, що свідчить про важливу роль для ефапії в серці. [15]

Епілепсія та судоми

Епілептичні припадки виникають при синхронності електричних хвиль у мозку. Знаючи роль, яку ефапс відіграє у підтримці синхронічності в електричних сигналах, має сенс шукати ефаптичні механізми при цьому типі патології. Одне дослідження припустило, що клітини кори є ідеальним місцем для спостереження за ефаптичним зчепленням завдяки щільній упаковці аксонів, що дозволяє взаємодіяти між їх електричними полями. Вони перевірили вплив зміни позаклітинного простору (що впливає на локальні електричні поля) і встановили, що можна блокувати епілептичну синхронізацію, незалежну від хімічної маніпуляції синапсом, просто збільшуючи простір між клітинами. [16] Пізніше була створена модель для прогнозування цього явища та показали сценарії з більшим позаклітинним інтервалом, що ефективно блокувало епілептичну синхронізацію в мозку. [17]

Нюхова система мозку

Нейрони в нюховій системі немієлінізовані і щільно упаковані, і тому часто невеликі ефекти ефаптичного зчеплення легше помітні. Ряд досліджень показав, як гальмування серед нейронів у нюховій системі інтегрує сигнали у відповідь на запах. Показано, що це гальмування відбувається лише через зміни електричних потенціалів. [8] Додавання ефаптичного зв'язку до нюхових моделей нейронів додає подальшої підтримки моделі "виділеної лінії", в якій кожен нюховий рецептор посилає свій сигнал одному нейрону. Пригнічення внаслідок ефаптичного зчеплення допоможе врахувати інтеграцію сигналів, що спричиняє більш нюансове сприйняття запахів. [18]

Математичні моделі

Через дуже малі електричні поля, що виробляються нейронами, математичні моделі часто використовуються для перевірки ряду маніпуляцій. Теорія кабелів - одне з найважливіших математичних рівнянь нейронауки. [19] Вона обчислює електричний струм, використовуючи ємність та опір як змінні, і була основою для багатьох прогнозів щодо ефаптичного зв’язку в нейронах. Однак багато авторів працювали над створенням більш вдосконалених моделей, щоб більш точно представити оточення нервової системи. Наприклад, багато авторів запропонували моделі серцевої тканини, що включають додаткові змінні, що враховують унікальну структуру та геометрію серцевих клітин [14] змінюють масштаби розміру, [20] або тривимірну електродифузію. [21]

Моделі у тварин

Гігантські аксони кальмарів

У 1978 році були проведені основні випробування на гігантських аксонах кальмарів, щоб знайти докази ефаптичних подій. Було показано, що потенціал дії одного аксона може бути поширений на сусідній аксон. Рівень передачі змінювався: від змін нижнього порогового рівня до ініціації потенціалу дії в сусідній клітині, але у всіх випадках було очевидно, що є наслідки ефаптичного зв'язку, які мають фізіологічне значення. [7]

Спинний і довгастий мозок щура

В одному дослідженні було випробувано ефекти ефаптичного зчеплення, використовуючи як антагоністи нейромедіаторів для блокування хімічних синапсів, так і блокатори щілин для блокування електричних синапсів. Було встановлено, що ритмічний електричний розряд, пов'язаний з нейронами плода, у спинному мозку та мозку щура все ще зберігається. Це говорить про те, що зв’язки між нейронами все ще існують і працюють над поширенням сигналів навіть без традиційних синапсів. Ці висновки підтримують модель, в якій ефаптичне сполучення працює поряд з канонічними синапсами для розповсюдження сигналів через нейронні мережі. [22]

Клітини Пуркіньє у мозжечку пацюків

Один з небагатьох відомих випадків функціональної системи, в якій ефаптична зв'язка відповідає за явну фізіологічну подію - це клітини Пуркіньє мозжечка щурів. [23] У цьому дослідженні було продемонстровано, що клітини кошика, які інкапсулюють деякі ділянки волокон Пуркіньє, можуть спричиняти інгібуючі дії на клітини Пуркіньє. Збудження цих клітин кошика, яке відбувається швидше, ніж у клітинах Пуркіньє, притягує струм по клітині Пуркіньє і генерує пасивний гіперполяризуючий потенціал, який гальмує активність клітини Пуркіньє. Хоча точна функціональна роль цього гальмування досі не з'ясована, це може мати синхронізуючий ефект у клітинах Пуркіньє, оскільки ефаптичний ефект обмежить час збудження.

Аналогічний ефаптіческую ефект був вивчений в клітинах Маутнера з костистих риб . [24]

Скептицизм

Хоча ідея несинаптичних взаємодій між нейронами існує з 19 століття, історично було багато скептицизму в галузі нейронауки. Багато людей вважали, що мікроелектричні поля, що виробляються самими нейронами, були настільки малі, що вони були незначними. [18] Хоча багато прихильників теорії ефаптичного зв’язку намагаються довести її існування шляхом експериментів, що блокують як хімічні, так і електричні синапси, все ж деякі противники на місцях висловлюють обережність. Наприклад, у 2014 році один вчений опублікував рецензію, в якій виклав скептицизм до ідеї ефаптичного з’єднання, сказавши: «Згода між їх моделюванням та даними Поелзінга вражає, але мені знадобиться більш остаточне експериментальне підтвердження, перш ніж я зможу прийняти ефаптичну гіпотезу». [25] Він висловлює свою обережність у бажанні більшого розрізнення між поширенням сигналу між щілинами і справжнім ефаптичним з'єднанням. Незалежно від того, чи справді це відсутність доказів чи просто утриманство в умовах змін, багато хто в цій галузі все ще не зовсім впевнені, що є однозначні докази ефаптичної зв'язку. Дослідження тривають і з 2018 році були оголошені цікаві результати [26]

Дивись також

Список літератури

  1. ↑ Aur D., Jog, MS. (2010) Neuroelectrodynamics: Understanding the brain language, IOS Press, DOI:10.3233/978-1-60750-473-3-i
  2. ↑ Hartline DK (May 2008). What is myelin?. Neuron Glia Biology. 4 (2): 153—63. doi:10.1017/S1740925X09990263. PMID 19737435.
  3. ↑ Wilhelm Biedermann (1898). Electro-physiology. Macmillan. с. 270–.
  4. ↑ а б Katz B, Schmitt OH (February 1940). Electric interaction between two adjacent nerve fibres. J. Physiol. (Lond.). 97 (4): 471—88. doi:10.1113/jphysiol.1940.sp003823. PMC 1393925. PMID 16995178.
  5. ↑ Arvanitaki A (1942). Effects Evoked in an Axon by the Activity of a Contiguous One. Journal of Neurophysiology. 5 (2): 89—108. doi:10.1152/jn.1942.5.2.89. ISSN 0022-3077.
  6. ↑ Jefferys JG (October 1995). Nonsynaptic modulation of neuronal activity in the brain: electric currents and extracellular ions. Physiol. Rev. 75 (4): 689—723. doi:10.1152/physrev.1995.75.4.689. PMID 7480159.
  7. ↑ а б Ramón F, Moore JW (1978). Ephaptic transmission in squid giant axons. Am. J. Physiol. 234 (5): C162—9. doi:10.1152/ajpcell.1978.234.5.C162. PMID 206154.
  8. ↑ а б Van der Goes van Naters W (2013). Inhibition among olfactory receptor neurons. Front Hum Neurosci. 7: 690. doi:10.3389/fnhum.2013.00690. PMC 3805947. PMID 24167484.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  9. ↑ Anastassiou CA, Perin R, Markram H, Koch C (February 2011). Ephaptic coupling of cortical neurons. Nat. Neurosci. 14 (2): 217—23. doi:10.1038/nn.2727. PMID 21240273. (direct link to full text)
  10. ↑ Radman T, Su Y, An JH, Parra LC, Bikson M (March 2007). Spike timing amplifies the effect of electric fields on neurons: implications for endogenous field effects. J. Neurosci. 27 (11): 3030—6. doi:10.1523/JNEUROSCI.0095-07.2007. PMC 6672570. PMID 17360926.
  11. ↑ Anastassiou CA, Montgomery SM, Barahona M, Buzsáki G, Koch C (February 2010). The effect of spatially inhomogeneous extracellular electric fields on neurons. J. Neurosci. 30 (5): 1925—36. doi:10.1523/JNEUROSCI.3635-09.2010. PMC 6633973. PMID 20130201.
  12. ↑ Hrg D (April 2013). Synchronization of two Hindmarsh-Rose neurons with unidirectional coupling. Neural Netw. 40: 73—9. doi:10.1016/j.neunet.2012.12.010. PMID 23454921.
  13. ↑ Veeraraghavan R, Gourdie RG, Poelzing S (March 2014). Mechanisms of cardiac conduction: a history of revisions. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 306 (5): H619—27. doi:10.1152/ajpheart.00760.2013. PMC 3949060. PMID 24414064.
  14. ↑ а б Lin J, Keener JP (2010). Modeling electrical activity of myocardial cells incorporating the effects of ephaptic coupling. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (49): 20935—40. Bibcode:2010PNAS..10720935L. doi:10.1073/pnas.1010154107. PMC 3000303. PMID 21078961.
  15. ↑ Veeraraghavan R, Hoeker GS, Alvarez-Laviada A, Hoagland D, Wan X, King DR, Sanchez-Alonso J, Chen C, Jourdan J, Isom LL, Deschenes I, Smyth JW, Gorelik J, Poelzing S, Gourdie RG (2018). The adhesion function of the sodium channel beta subunit (β1) contributes to cardiac action potential propagation. eLife. 7. doi:10.7554/eLife.37610. PMC 6122953. PMID 30106376.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  16. ↑ Dudek FE, Yasumura T, Rash JE (November 1998). 'Non-synaptic' mechanisms in seizures and epileptogenesis. Cell Biol. Int. 22 (11–12): 793—805. doi:10.1006/cbir.1999.0397. PMID 10873292.
  17. ↑ Stacey RG, Hilbert L, Quail T (May 2015). Computational study of synchrony in fields and microclusters of ephaptically coupled neurons. J. Neurophysiol. 113 (9): 3229—41. doi:10.1152/jn.00546.2014. PMC 4440237. PMID 25673735.
  18. ↑ а б Bokil H, Laaris N, Blinder K, Ennis M, Keller A (October 2001). Ephaptic interactions in the mammalian olfactory system. J. Neurosci. 21 (20): RC173. doi:10.1523/JNEUROSCI.21-20-j0004.2001. PMC 6763860. PMID 11588203.
  19. ↑ Bédard C, Destexhe A (August 2013). Generalized cable theory for neurons in complex and heterogeneous media. Phys Rev E. 88 (2): 022709. arXiv:1304.5674. Bibcode:2013PhRvE..88b2709B. doi:10.1103/PhysRevE.88.022709. PMID 24032866.
  20. ↑ Hand PE, Griffith BE (August 2010). Adaptive multiscale model for simulating cardiac conduction. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (33): 14603—8. Bibcode:2010PNAS..10714603H. doi:10.1073/pnas.1008443107. PMC 2930419. PMID 20671202.
  21. ↑ Mori Y, Fishman GI, Peskin CS (April 2008). Ephaptic conduction in a cardiac strand model with 3D electrodiffusion. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (17): 6463—8. Bibcode:2008PNAS..105.6463M. doi:10.1073/pnas.0801089105. PMC 2359793. PMID 18434544.
  22. ↑ Ren J, Momose-Sato Y, Sato K, Greer JJ (January 2006). Rhythmic neuronal discharge in the medulla and spinal cord of fetal rats in the absence of synaptic transmission. J. Neurophysiol. 95 (1): 527—34. doi:10.1152/jn.00735.2005. PMID 16148265.
  23. ↑ Korn H, Axelrad H (October 1980). Electrical inhibition of Purkinje cells in the cerebellum of the rat. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 77 (10): 6244—7. Bibcode:1980PNAS...77.6244K. doi:10.1073/pnas.77.10.6244. PMC 350252. PMID 6255484.
  24. ↑ Faber DS, Korn H (July 1989). Electrical field effects: their relevance in central neural networks. Physiol. Rev. 69 (3): 821—63. doi:10.1152/physrev.1989.69.3.821. PMID 2546168.
  25. ↑ Roth BJ (February 2014). Does ephaptic coupling contribute to propagation in cardiac tissue?. Biophys. J. 106 (4): 774—5. Bibcode:2014BpJ...106..774R. doi:10.1016/j.bpj.2014.01.011. PMC 3944891. PMID 24559978.
  26. ↑ Chiang, Chia-Chu; Shivacharan, Rajat S.; Wei, Xile; Gonzalez-Reyes, Luis E.; Durand, Dominique M. (2019). Slow periodic activity in the longitudinal hippocampal slice can self-propagate non-synaptically by a mechanism consistent with ephaptic coupling. The Journal of Physiology. 597 (1): 249—269. doi:10.1113/JP276904. PMC 6312416. PMID 30295923.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Ефапс&oldid=28080293