Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) совместно с коллегами из Юго-Западного медицинского центра при Техасском университете исследовали новый подход к анализу формы дендритных шипиков при нейродегенеративных заболеваниях. В отличие от стандартного подхода, когда эти структуры делят на три или четыре класса, исследователи предлагают рассмотреть подход кластеризации. Перспективы и потенциальные ограничения данного подхода были опубликованы в журнале Frontiers in Synaptic Neuroscience.

Дендритные шипики — это небольшие выступы дендритной мембраны нейрона в области контакта с соседними аксонами (места), где происходит передача сигнала от одного нейрона к другому). Эти шипики имеют разный размер, форму и плотность. Изменения характеристик дендритных шипиков связаны с обучением и памятью и могут быть признаком нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Хантингтона. В связи с важностью изучения синаптических контактов, исследователи прилагают усилия для надежной визуализации и анализа дендритных шипиков. Для этого необходимо разделение их на группы по ключевым морфологическим признакам.

Методы анализа и понимания морфологии дендритных шипов критически важны для многих областей нейробиологии. Между аксональным бутоном и шипиками существует зона контакта для передачи информации от одного нейрона к другому. Несмотря на то, что нейроны и дендриты представляют собой довольно стабильные структуры, синаптические шипики очень пластичны и подвержены изменениям.

«Дендритные шипики — это совершенно отдельные структуры, функционирующие по своим законам. Они могут менять форму в ответ на изменения нейронной активности. Сила и количество синаптических связей коррелируют с обучением и памятью. Снижение качества или количества синаптических контактов может быть диагностическим признаком ранних патологических процессов. Первые симптомы нейродегенерации могут появиться намного позже, потому что наш мозг имеет определенный запас прочности», — рассказывает Екатерина Пчицкая, сотрудник Лаборатории молекулярной нейродегенерации СПбПУ.

Ученые изучили взаимосвязь между формой, плотностью и функциями дендритных шипиков. Предыдущие исследования в основном полагались на классификационный подход, который предполагает, что шипики делятся на фиксированные категории, такие как тонкие, грибовидные и пеньковые. Грибовидные шипики имеют большую головку и маленькую шейку, отделяющую их от дендрита. Они образуют прочные синаптические связи и, как считается, связаны с долговременной памятью. Тонкие шипики имеют похожее строение, но их головка меньше шейки. Исследователи полагают, что они несут ответственность за формирование новых воспоминаний. Пеньковые шипики обычно не имеют шейки. Известно, что они являются преобладающим видом на ранних стадиях постнатального развития, но также могут быть обнаружены у взрослых в результате исчезновения грибовидных шипиков.

«Мы пришли к выводу, что классификационный подход является довольно грубым, и предлагаем рассматривать динамичную природу шипиков как континуум различных форм. В связи с этим мы решили применить алгоритмы, основанные на кластеризации. Нам хорошо известна связь между основными классами и их функциональностью. Сейчас стоит задача найти связь между конкретной формой и функциями шипиков», — добавила Екатерина Пчицкая.

Чтобы получить изображения шипиков в культивированных нейронах, фиксированных срезах головного мозга и интактной мозговой ткани, применялись различные типы микроскопии. К ним относятся двухфотонная, конфокальная, лазерная и микроскопия структурированного освещения или SIM-микроскопия. В предыдущих исследованиях изображения дендритных шипиков в основном исследовались в 2D-проекции.

Ученые отметили, что исследование подхода кластеризации в анализе дендритных шипиков все еще находится на ранней стадии, но это очень перспективный подход, который научная группа будет развивать в ближайшем будущем.

«Размер дендритных шипиков очень мал и сопоставим с разрешением конфокального микроскопа. Нам необходимо получить высококачественные 3D-изображения, чтобы определить ключевые морфологические параметры, которые позволят нам собрать важные данные об изменениях дендритных шипиков. Таким образом, мы сможем применять разные алгоритмы кластеризации и сравнивать результаты », — отметила Екатерина Пчицкая.