Межі в клітинній неврології

Нейронні клітини

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Мікроглія, що ніколи не відпочиває: фізіологічна роль здорового мозку та патологічні наслідки Переглянути всі 16 статей

мікрогліальної

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

ОГЛЯД СТАТТІ

  • 1 Центр досліджень складних систем, Школа громадського здоров'я, Університет Чарльза Стерта, Олбері, штат Нью-Йорк, Австралія
  • 2 Інститут біофізики Медичного університету Граца, Грац, Австрія
  • 3 Сільська клінічна школа, Університет Нового Південного Уельсу, Сідней, штат Новий Південний Уельс, Австралія

Зв’язок форми та функції

Мікроглії, невеликі за розміром, але величезні за значенням, займають помітний простір у, мабуть, усіх нервових системах. Вони тісно і рясно переплітаються із загалом набагато більшими нейронами у співвідношенні, яке, як можна сказати, становить у середньому один до одного в нормальній тканині дорослої людини, але залежить від того, коли і звідки в центральній нервовій системі (ЦНС) береться зразок тканини. Тривимірна космічна мікроглія постійно міняється, коли вони переміщують свої клітинні відростки та мігрують, але, якщо зупинити рух, мікроглія може побачити надзвичайну різноманітність складних і складних морфологій (Dowding et al., 1991; Dowding and Scholes, 1993; Sonetti et al., 1994; Magazine et al., 1996; Dobrenis, 1998; Perry, 1998; Alliot et al., 1999; Bernhardi and Nicholls, 1999; McMenamin, 1999; Streit et al., 1999; Navascues et al., 2000).

Як показано на малюнку 1, окремі мікрогліальні клітини можуть оборотно переходити від простої округлої до складної розгалуженої форми. У будь-який момент часу вони можуть бути виявлені як округлі до аморфних крапель з будь-якими різноманітними інтригуючими мембранними ознаками, такими як псевдоподії та волани. Або в іншій крайності, вони можуть прийняти форму з відносно дуже невеликою сомою і тривалими звивистими первинними процесами, які можна охарактеризувати як «павукоподібні», «суглобові» або «колючі» із вторинними та третинними гілками, наділеними тупими закінчуються або ще подальші гілки (Kreutzberg, 1995; Dailey and Waite, 1999; Ohsawa et al., 2000; Streit, 2000; Bohatschek et al., 2001; Nimmerjahn et al., 2005; Tremblay et al., 2011; Liu et al., 2012).

Рисунок 1. Морфологія мікроглії у ЦНС дорослої людини. Мікроглія - ​​це морфологічно та функціонально динамічні клітини, здатні змінювати форму від сильно розгалужених до повністю відсутніх процесів. Перехід може бути дуже швидким, або мікроглія може залишатися у формі роками (Colton et al., 2000). Ілюстровані тут форми представляють знімки трансформації, яка є оборотною в кожній точці, з варіаціями в межах кожної показаної форми. Цифри не показані в масштабі; їх налаштовано для порівняння деталей.

На основі цієї дуже гнучкої морфології невропатологи створили модель, що пов'язує назви мікрогліальних форм з мікрогліальною функцією. У зрілій ЦНС мікроглії у їх нерамінованій та проміжній формах (рухаючись вгору від нижньої частини Малюнка 1), як правило, вважаються "активованими", "реактивними" або "проміжними". Вони активуються для імунозапальної ролі, яка включає подорож до місць пошкодження, де вони можуть вербувати або активувати інші клітини, проліферувати, фагоцитозувати, очищати сміття та сприяти загоєнню та реорганізації кори. Вони також можуть виражати типовий імунозапальний профіль, такий як регульований CD68 та основні білки комплексу гістосумісності II (MHC-II) (Streit and Kreutzberg, 1987). Таким чином, якщо побачити в посуді, на предметному склі або в живому організмі, мікроглія може здатися пухким, тягнеться і пульсує повнотілі тіла, або, можливо, заграбує по краях. Вони можуть швидко стирчати всередину чи поза кількома чи багатьма міцними процесами, а можуть одночасно, трохи повільніше, звиватися у своїй тоншій альтанці. У цій ролі мікрогліальні клітинні тіла можуть бути витягнутими грудоподібними, паличкоподібними або звивистими з набряклими виступами розгалужень, або мікроглії можуть бути більш радіальними, колючими фігурами (Streit, 2000; Soltys et al., 2001; Stence et al., 2001).

У своїх повністю розгалужених формах (на рисунку 1) у нормальній зрілій ЦНС мікроглії активно відіграють важливу фізіологічну роль. Вони пильні сторожі та «синаптичні партнери», які стежать і забезпечують належне функціонування нейронів, забезпечуючи нейротрофічні речовини (Nakajima та Shinichi, 2002), діючи та регулюючи нейромедіатори та гормони (Garcia-Segura et al., 1996), опосередковуючи біль (Watkins et al., 2001; Inoue, 2006) та реакція на психологічний стрес (Hinwood et al., 2012), захист нейронів від пошкодження (Vinet et al., 2012) та реагування на зміни в мікросередовищі (наприклад, розтягнення, деполяризація, глікемічний статус тощо) (Eder et al., 1998; Lyons and Kettenmann, 1998; Polito et al., 2011; Tremblay et al., 2011; Won et al., 2012).

Виконуючи свої різноманітні обов'язки, розгалужені клітини змінюються і рухаються різними способами протягом багатьох часових шкал. Сама їх альтанка змінюється, коли вони корчаться і махають, розширюють і втягують дрібні та грубі процеси, схильні до синапсів, міграції та фагоцитози (Pow et al., 1989; Dailey and Waite, 1999; Lee et al., 2008; Marker et al. ., 2010; Tremblay et al., 2011). Спостерігалося, що мікроглії рухають свої процеси „буяно”, більше на кінцях, ніж біля соми, у, здавалося б, випадкових напрямках, але в межах об’єму, щоб вони підтримували стабільну базову симетрію та загальний розмір альтанки. Вони можуть почати рухатися швидше і ставати більш поляризованими, коли вони модифікують і поширюють свої процеси до місця пошкодження, і можуть мігрувати до місця, поки все ще розгалужені. Дійсно, вони можуть продовжувати відзначати свою посаду та відправляти копію, якщо відчувають потребу схилятися до чогось на відстані (Radewicz et al., 2000; Aarum et al., 2003; Nimmerjahn et al., 2005; Lee et, 2008; Wake та ін., 2009; Перего та ін., 2011).

Знання цієї моделі є потужним інструментом у наборі інструментів невролога. Це свідчить про те, що, базуючись на візуальних враженнях від місцевої мікрогліальної морфології, можна багато чого зробити висновок про те, що відбувається в конкретному місці. Подібні візуальні враження насправді інформують про рішення патологоанатомів та дослідників (Streit, 2000). Модель особливо потужна, оскільки мікроглії відіграють важливу роль у розвитку та зрілості ЦНС під час патологічних та нормальних станів, впливаючи на структуру, пластичність та функціонування практично за будь-яких обставин. Встановлено, що мікроглія опосередковує вплив та реагує на безліч різноманітних речовин, таких як міноциклін (Hinwood et al., 2012), етанол (Crews et al., 2006; Kane et al., 2011; Zhao et al., 2012 ), нестероїдні протизапальні засоби (Varvel et al., 2009), опіоїди (Wen et al., 2011), каннабіноїди (Toth et al., 2010) та нейролептики (Yrjanheikki et al., 1998; Busse et al., 2012), і все частіше розглядаються як потенційні мішені для терапевтичного втручання та моніторингу подій у нервовій системі (Billiards et al., 2006; Liu et al., 2012; Pascual et al., 2012).

Одним із методів, який може сприяти цій потребі, є фрактальний аналіз. Таким чином, решта цього огляду коментує, як фрактальний аналіз допомагає зробити моделі мікрогліальної форми та функції більш кількісними. Щоб допомогти читачеві інтерпретувати дослідження фрактального аналізу мікроглії, ми пропонуємо короткий методологічний огляд. Ми також обговорюємо, як фрактальний аналіз використовувався для кількісного визначення морфології мікроглії та як він може генерувати гіпотези про зв’язок форми-функції в майбутньому. Ми зосереджуємось на одному конкретному типі аналізу, підрахунок ящиків, яка була використана для кількісної оцінки не лише загальних морфологічних відмінностей, але також тонких нюансів мікрогліальної морфології, які можуть бути важливими для розуміння нормальної та патологічної ЦНС.

Фрактальний аналіз

Фрактальний аналіз - це група методів кількісного визначення важко описаних закономірностей (Jelinek and Fernandez, 1998). Ми узагальнюємо тут лише деякі його елементи, необхідні для розуміння результатів, обговорених у цьому огляді. Підрахунок ящиків та розмір підрахунку ящиків є нашим прикладом з трьох причин. По-перше, підрахунок ящиків надзвичайно чутливий до морфологічних ознак, які є аналогічними ключовим структурним особливостям мікроглії (тобто структурам розгалуження та контурам, відповідно аналогічним розгалуженим процесам та деталям мембрани) (Losa et al., 1997). По-друге, він виявився успішним для аналізу мікроглії. І по-третє, програмне забезпечення для підрахунку ящиків стає все більш доступним для спільноти неврологів (Karperien, 2001a; Baksi and Fidler, 2012). Читач повинен знати, що альтернативні фрактальні методи, такі як метод дилатації і метод радіусу маси були використані для характеристики морфології мікроглії (Soltys et al., 2001; Orlowski et al., 2003; Varvel et al., 2009), і що інші можуть виявитися корисними (наприклад, локальний пов'язаний фрактальний вимір) (Karperien, 2001a; Losa та ін., 2005; Karperien та ін., 2008b), але ще не розглянуті.

Читач також повинен усвідомлювати, що існує недостатня кількість даних про фрактальний аналіз мікроглії загалом. Оскільки комп’ютеризовані методи аналізу зображень розрослися в останні десятиліття, фрактальний аналіз у нейронауці виріс і включав багато додатків, починаючи від класифікації нервових клітин і закінчуючи оцінкою діабетичної ретинопатії (Smith et al., 1996; Fernandez and Jelinek, 2001; Karperien et al., 2008b; Jelinek et al., 2010; Kim et al., 2011). Наскільки істотною є ця література, вона містить лише дуже невелику кількість досліджень, присвячених фрактальному аналізу мікроглії, багато опублікованих нашою лабораторією з використанням FracLac для ImageJ. FracLac - це програмне забезпечення з відкритим кодом, вільно доступне для спільноти біологів через веб-сайт ImageJ в Національному інституті охорони здоров’я. Він був розроблений нашою лабораторією для контролю та автоматизації фрактального аналізу мікроглії та забезпечення додаткових вимірів морфології клітин (Karperien, 2001a; Mancardi et al., 2008; Kam et al., 2009; Sant and Fairgrieve, 2012; Schneider et al., 2012).

Фрактальні розміри

В основі фрактального аналізу лежить концепція a фрактальна розмірність (DF). DF - це число, що описує, як змінюється деталь у візерунку під час вивчення візерунка в різних масштабах. Це масштабування зазвичай називають складність. Чим вищий розмір, тим складніший шаблон. Це не означає, що можна було б очікувати можливості характеризувати мікроглію вздовж нескінченного спектру; швидше, з практичної точки зору, як правило, можна очікувати, що для двовимірних візерунків розраховані коефіцієнти коефіцієнта загального падіння зазвичай падають між 1 і 2, а для тривимірних - між 2 і 3.

Пошук DF для структури подібний до масштабування за допомогою мікроскопа для дослідження тканини з різним збільшенням, але з важливою різницею. Зазвичай, наближаючись, ми бачимо з більш чіткою роздільною здатністю більш фундаментальні будівельні блоки конструкції; але для фрактальної картини з кожним збільшенням збільшення спостерігач виявляє оригінальну структуру, складену з ідентичних частин, просто менших. Це самоподібність виділяється тим, що він деталізований, на відміну від нецікавої самоподібності на кривій простого кола, наприклад, яка має теоретичний коефіцієнт DF 1,0 і назавжди буде бачитися складеною з просто менших кривих. Більше того, кількість нових деталей у структурі змінюється відповідно до масштабу, так що існує передбачуване співвідношення нових деталей до масштабу, що є математичною основою DF. Як показано в рівняннях 1 і 2, DF - показник ступеня, до якого піднімається масштаб (ε), щоб отримати кількість нових частин (Nε):

Малюнок 2А ілюструє самоподібність в одному прикладі фрактальної картини, відомої як квадрична фрактальна крива. Практичне наближення (D) DF можна оцінити за вибіркою інформації на основі граничного значення при зменшенні шкали: