Del 1: Koppla ihop neurobiologin för utvecklingshjärnskada: Neuronal arborisering som en regulator av dysfunktion och potentiellt terapeutiskt mål

ali.ma@wecistanche.com

Klicka tillCistancheherba för anti-Alzheimers sjukdom

Snälla klicka här till del 2

Ane Goikolea-Vives och Helen B. Stolp *

Department of Comparative Biomedical Sciences, Royal Veterinary College, London NW1 0TU, Storbritannien; agoikoleavive18@rvc.ac.uk

* Korrespondens: hstolp@rvc.ac.uk

Sammanfattning: Neuroutvecklingsstörningar kan härröra från en komplex kombination av genetisk variation och miljöpåverkan på viktiga utvecklingsprocesser. Trots denna komplexa etiologi och den lika komplexa uppsättningen av syndrom och tillstånd som diagnostiserats under rubriken neuroutvecklingsstörning, finns det paralleller i neuropatologin för dessa tillstånd som tyder på överlappande mekanismer för cellulär skada och dysfunktion.Neuronalaarborisering är en process av dendrit- och axonförlängning som är avgörande för anslutningen mellan neuroner som ligger till grund för normal hjärnfunktion. Avbruten arborisering och synapsbildning rapporteras vanligen vid neuroutvecklingsstörningar. Här sammanfattar vi bevisen för störd neuronal arborist-check för Citation: Goikolea-Vives, A.; Stolp, HB Connecting the neurobiology of developmental brain injury:NeuronalaArborisation som en regulator av dysfunktion och potentiella terapeutiska mål. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 8220. https://doi.org/ 10.3390/ijms22158220

Akademisk redaktör:

Giuseppe Lazzarino

Mottaget: 2 juli 2021

Godkänd: 28 juli 2021

Publicerad: 30 juli 2021

Utgivarens anmärkning: MDPI förblir neutral med avseende på jurisdiktionsanspråk i publicerade kartor och institutionella anknytningar.

Copyright: © 2021 av författarna. Licenstagare MDPI, Basel, Schweiz. Den här artikeln är en artikel med öppen tillgång som distribueras under villkoren och

villkoren för Creative Commons

Attribution (CC BY) licens (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/).

tion under dessa tillstånd, med fokus främst på cortex och hippocampus. Dessutom utforskar vi de utvecklingsmässigt specifika mekanismer genom vilkaneuronalarborisering är reglerad. Slutligen diskuterar vi viktiga regulatorer avneuronalarborisering som kan kopplas till neuroutvecklingssjukdom och potentialen för farmakologisk modifiering av arborisering och bildandet av synaptiska kopplingar som kan ge terapeutisk nytta i framtiden.

Nyckelord: dendritisk arborisering; dendritisk ryggrad; synapsbildning; neuroutvecklingsstörning; perinatal hjärnskada

1. Introduktion

Dendritiska arbors, tillsammans med dendritiska ryggar i taggiga neuroner, är grundläggande för att reglera både informationen som tas emot av en neuron och hur denna information bearbetas och ageras på. Som ett resultat har förändringar i dendritisk arborisering, eller bildandet av dendritiska ryggar, en dramatisk effekt på hjärnans funktion. Detta bevisas av en stor mängd forskning som korrelerar förändringar i dendriter och dendritiska ryggraden med svårighetsgraden av kognitiva och beteendemässiga symptom på neuroutvecklings-, neuropsykiatriska och neurodegenerativa störningar.

Dendritbildning är en relativt sen och förlängd utvecklingshändelse, efter en längre period av proliferation, som följer ett i stort sett stereotypt mönster för alla neuroner. Det drivs av en kombination av inneboende genetiskt reglerade processer, särskilt viktiga under tidiga faser av neuritförlängning, som sedan dynamiskt påverkas av en mängd yttre signaler, inklusive aktivitetsberoende reglering [1-3]. För identifiering av potentiella terapier för att korrigera störd arborisation och anslutning vid neuroutvecklingsstörningar är det nödvändigt att förstå konsekvenserna av genetiska och miljömässiga händelser på dendritisk arborisation, tidsberoendet av dessa störningar och förmågan till strukturell eller funktionell kompensation som en del av normal utveckling. Även om framsteg görs i vår förståelse av många av dessa områden, finns det fortfarande en brist på överblick och integrering av information som krävs för att göra de nödvändiga framstegen i terapeutisk upptäckt. För att underlätta dessa framsteg kommer vi att se över kopplingarna mellan neuroutvecklingsstörningar och störd dendritisk utveckling, med hänsyn till de potentiella konsekvenserna av störningar för funktionen hos neurala nätverk. De mekanismer som ligger bakom förändringar i dendritisk och synaptisk täthet i neuroutvecklingsstörningar kommer att utforskas, särskilt med fokus på de mekanismer som visar lovande för terapeutisk intervention.

2. Avbruten neuronal arborisation vid neuroutvecklingsstörningar

Neuronalamorfologi är en viktig bestämningsfaktor förneuronalanslutning och normal hjärnfunktion [4,5]. Det dendritiska förgreningsmönstret, såväl som dendritiska och ryggradsdensitet, storlek och morfologi, bestämmer effektiviteten av den synaptiska ingångsöverföringen, integrationen och bearbetningen [5,6]. Många neuroutvecklingspatologier uppvisar dendritiska och ryggradsavvikelser, sammanfattade i figur 1 [7–10]. Till exempel rapporterade obduktionsstudier i hjärnan från autistiska patienter minskad dendritisk förgreningskomplexitet i hippocampus CA1- och CA4-regioner [11], en minskning av antalet dendriter i den dorsolaterala prefrontala cortex [12] och ökade ryggradstätheter i kortikala pyramidala neuroner [13]. Dendritiska abnormiteter är en central egenskap hos syndrom som Downs syndrom, Retts syndrom, fragilt X-syndrom och fenylketonuri; patienter uppvisade ett minskat antal och längd av dendritiska arbors samt onormal morfologi och antal dendritiska ryggar i hjärnbarken (granskas i [14]). Störningar som epilepsi och traumatiska hjärnskador (TBI), där excitotoxicitet är involverad, har också associerats med avvikande dendritisk ryggradsstruktur och distribution [15]. Obduktionsrapporter från patienter med epilepsi visade minskad dendritisk förgreningskomplexitet, färre grenar, samt minskad ryggradstäthet och dendritisk svullnad i lager III kortikala pyramidala neuroner [16]. Dendritiska varikositeter och förlust av dendritiska ryggraden har observerats i hippocampus hos dessa patienter [17]. Perinatal hypoxisk/ischemisk hjärnskada kan resultera i långvariga neurologiska defekter eller död hos den nyfödda (recensionerad i [18]). Djurstudier har visat att hypoxiska-ischemiska händelser leder till förlust av dendritiska ryggraden, uppkomsten av dendritiska varikositeter, minskad dendritisk längd och dendritisk förgrening i pyramidala pyramidalneuroner från råtta [19,20] och kortikala och subkortikala neuroner hos får [21–24] .

Figur 1. Schematiskt diagram som sammanfattar sjukdomsrelaterade förändringar i dendritisk arborisering och ryggradsbildning. En neurotypisk neuron utvecklar komplex förgrening och långa och många dendriter. Den utvecklar också relativt stabila och mogna ryggar. Individer med ASD visar ofta minskad dendritisk förgreningskomplexitet och ökad närvaro av omogna/törniga ryggar och ökad ryggradstäthet. Neuroner från patienter med ömtåliga X och Retts syndrom har visat sig visa kortare och mindre rikliga dendriter och onormalt långa och tunna ryggar med ökad densitet. Hos patienter med epilepsi har neuroner observerats bilda kortare och mindre grenade berså som ofta uppvisar varikositeter och förvrängda ryggrader, och ryggradstätheten minskar också. Neuroner från schizofrena individer visar minskad ryggradsstorlek och onormala ryggradshalsar, mindre somas och ett minskat antal dendriter. Hos patienter med hypoxi/ischemi eller TBI utvecklade neuroner färre och kortare dendriter, med varikositeter och sammandragningar, och visade minskad ryggradstäthet och förekomsten av onormala ryggrader. Minskad dendritisk längd och förgrening samt förlust av ryggraden har observerats i neuroner från patienter med AD och PD. AD—Alzheimers sjukdom, ASD—autismspektrumstörning, PD—Parkinsons sjukdom, TBI—traumatisk hjärnskada.

3. Neuronal arborisation och synapsbildning som en del av kortikal kretsbildning

De tidigaste kortikala kretsloppen hos människor bildas hos prelaten av graviditetsvecka 5 [25–28]. Neuroner inom prelaten skapar primitiva och tillfälliga synaptiska kopplingar med närliggande celler som fungerar som provisoriska mål tills migrerande neuroner anländer för att bilda mer stabila förbindelser. Dessa preplate-neuroner är också de första neuronerna som projicerar utanför hjärnbarken. När de kortikala laminae utvecklas genererar neuroner kort- och långdistansförbindelser för att skapa lokala och globalt sammanlänkade neurala nätverk. Utvecklingsprocesser efter migration och differentiering resulterar initialt i överdrivnaneuronalarborisering och synaptisk anslutning. Dessa kräver förfining, först genom spontan aktivitet och senare av yttre stimuliberoende aktivitet, för att bilda och etablera mogna neurala kretsar [29]. Spontanneuronalaktivitet är nödvändig för den initiala utvecklingen av anslutning, och den når hjärnbarken genom den talamokortikala vägen, även innan den radiella migrationen av kortikala neuroner har slutförts [30]. Seminalstudier utförda i det visuella systemet hos fosterkatter visade att blockering av spontan avfyring av aktionspotentialer före ögonöppnande försämrade normal axonterminal förgrening av retinala ganglieceller [31] och av thalamocortical pathway-neuroner, vilket ledde till avvikande bildning av okulär dominans kolumner i primära visuella cortex [32]. I den utvecklande musens somatosensoriska cortex, innan några sensoriska stimuli kan tas emot, resulterar frånvaron av spontan aktivitet som härrör från thalamus i kortikala hyperexciterbara kretsar och avvikande utveckling av funktionella kolumnära strukturer [33].

När hjärnan mognar och börjar ta emot sensorisk input, varierar antalet, typen och styrkan av synapser som ett resultat avneuronalaktivitet. Denna neuronala aktivitet möjliggör inte bara tillägg av unik information i neuronala mönster utan främjar också kretsförfining och är avgörande för utvecklingen av mogna kretsar. Efter födseln är dendritisk morfogenes särskilt känslig för aktivitetsberoende input, och det är avgörande att fastställaneuronaldendritisk struktur och vilken typ av anslutningar som ska upprättas [34]. Dessutom kan dendritiska grenar omformas som svar på skador orsakade av skada eller sjukdom. Förmågan att omforma och anpassa sig till förändringar kallas plasticitet, och den har visat sig vara närvarande under hela vuxenlivet [35,36].

Under de första 18 levnadsmånaderna ökar frekvensen av dendritisk morfogenes och synaptogenes, och utvecklingsprocesser som erfarenhetsberoende synapsremodellering och beskärning närmar sig en kritisk period då felaktig timing och hastighet har föreslagits leda till utvecklingen av flera neuroutvecklings störningar [26,37,38]. Dendritisk och synaptisk beskärning drivs av ett samspel mellan neuroner, mikroglia och astrocyter [39]. Beskärning sker i två faser: direkt efter födseln – tidig barndom – för att säkerställa korrekt bildande av sensoriska kretsar; och under övergången från barndomen, tonåren och vuxenlivet till att omforma kretsar involverade i högre kognitiva funktioner inklusive självreglering [39,40]. Onormal beskärning leder till avvikande dendritisk arborisering och synaptisk funktion.

Intressant nog verkar det som att dendritmognad och uttryck av beteendesymtom på vissa neuroutvecklingsstörningar är tidsmässigt korrelerade [41]. Till exempel matchar debut av autismspektrumstörning (ASD) med den dendritiska tillväxten och arboriseringen som inträffar under tidig barndom [42], och uttrycket av ADHD-symptom i mitten och sen barndomen och schizofreni under sen tonårstid med dendritisk och synaptisk beskärning [40,41]. ASD-patologi har associerats med störd excitatorisk/hämmande balans och onormal anslutning av högre ordningens associationsområden [43]. Eftersom ASD ofta åtföljs av en ökad hjärnstorlek under de första 3 levnadsåren, har det antagits att det kan bero på en dendritisk överväxt eller brist på beskärning och underhåll av normalt cellantal [42]. ADHD och Tourettes syndrom uppträder sent i barndomen och kännetecknas av en bristfällig anslutning i neurala kretsar förknippade med självreglering och hämmande kapacitet. Patienter med ADHD har också visat sig nå toppkortikal tjocklek senare än sina neurotypiska motsvarigheter [44]. Den typiska uppkomsten av schizofreni inträffar under tonåren eller ung vuxen ålder. Hos schizofrena patienter, under puberteten, sker kortikal gallring i en snabbare takt och sträcker sig till närliggande regioner jämfört med åldersmatchade kontroller [45]. Orsaken till den överdrivna gallringen har föreslagits vara antingen på grund av minskad dendritisk förgrening och minskat cellantal, eller vanligare på grund av överdriven synaptisk beskärning eller oregelbunden synaptisk ombyggnad [46,47]. Från denna information kan vi dra slutsatsen att ett misslyckande med att upprätthålla korrekt dendritisk mognad leder till onormalneuronalfunktion och kretsetablering, vilket i slutändan resulterar i utvecklingen av atypiska beteendesymtom förknippade med neuroutvecklingsstörningar. I detta sammanhang är det viktigt att nu överväga den specifika tidpunkten för dendritiska mognadshändelser och de signaleringsmekanismer som ligger till grund för dem.

4. Utvecklingstidslinje och reglering av neuronal arborisering och synapsbildning

Morfologin hos mogna neuroner kännetecknas av den mångfald av mycket förgrenade processer som sträcker sig från cellkroppen. Dessa neuriter sträcker sig initialt på liknande sätt, före specialisering, in i axoner och dendriter, med ryggradsbildning en del av den sena dendritiska specialiseringen i taggiga neuroner [2,3,8]. Faser av dendritisk arborisering kan sammanfattas som (i) tillväxt (kännetecknas av en initial långsam fas och den efterföljande snabba förlängningen), följt av (ii) dynamisk förlängning och retraktion, vilket leder till en sista period av (iii) dendritstabilisering (Figur 2) ) [2]. Utöver dessaneuronal-beroende processer, det finns en förlängd period av beskärning som är särskilt beroende av miljösignaler (granskas i [1]). Därför finns det ett stereotypt element av dendritisk arborisering, även om det finns variation i tidpunkten för händelser mellan individuella celltyper, hjärnregioner och arter.

Figur 2. Schematiskt diagram som sammanfattar den jämförande tidsramen inom vilken nyckelhändelser i dendritisk arborisering inträffar. Dendritisk förgrening börjar med primär grenbildning, omedelbart efterneuronalmigration till sin slutliga position. Förgreningsprocesser inträffar sedan för att bilda sekundära och tertiära grenar, såväl som grenförlängning. Under denna period, är den initiala bildandet av dendritiska ryggraden och, därefter, av synapser. Omorganisation och stabilisering av dendritiska grenarna, ryggraden och synapserna sker relativt sent i utvecklingsprocesserna. Den jämförande tidsramen för dessa händelser visas för mus, får, icke-mänsklig primat och mänsklig hjärna. E—embryonal dag, GW—gestationsvecka, P—postnatal dag.

4.1. Progression och tidpunkt för dendritutveckling

Data som samlats in från många arter visar ett allmänt mönster av dendritisk expansion under de första åren av livet, där förlängningen av dendritiska grenarna och ökande grenkomplexiteten korrelerar med synaptisk bildning. Denna process stabiliseras innan en period av omorganisation och synaptisk beskärning under tidig tonåren när vuxna mönster av arborisering och synaptisk anslutning etableras (se figur2). Typiska mönster med tidig förgrening, visualiserade med Golgi-färgning, visar en enda apikal primär dendrit tillsammans med 3–9 basala dendriter [48]. Dessa sträcker sig efter fullbordandet av migrationen, med den ledande migrationskanten tänkt att övergå från den primära apikala neuriten vid denna tidpunkt. Bytet från migration till dendritisk förlängning verkar, åtminstone hos musen, underlättas av avlägsnandet av Sox11-hämning i den tidiga postnatala cortexen [49]. Axonet specialiserar sig i allmänhet från en basal neurit, medan resten bidrar till det dendritiska trädet. I den mänskliga hjärnan har den första dendritiska förgreningen rapporterats mellan 16–26 veckors graviditet, ökande upp till 36 veckor [50,51], och en etablerad, men rudimentär, dendritisk struktur är närvarande vid terminen, med kortikala neuroner 30–55 procent av deras maximala längd [52]. En liknande etablerad arborisering har beskrivits som term för icke-mänskliga primater [53]. I kortikala neuroner verkar de basala dendriterna etablera sin komplexitet tidigare än de apikala dendriterna, utan nya grenorder identifierade i basala dendriter efter termen [52]. I mushjärnan inträffar dessa steg till stor del under den första postnatala veckan, med förgrening som i stort sett motsvarar den mänskliga termen, runt postnatal dag (P)7-10 (se jämförande data i [49,54–56] som exempel). Hos fåren, ett annat vanligt djur för att modellera utvecklingsmässig hjärnskada, börjar dendritisk arborisering i cortex vid cirka {{0}}.7–0.85 av dräktigheten (se data i [21,23,24]).

En analys av lager V-neuroner i den mänskliga prefrontala cortexen tyder på att det finns en snabb fas av dendritisk expansion och förgrening som fortsätter till 5 års ålder [57]. Detta följs sedan av en lång period av lokal dynamisk omorganisation av de dendritiska grenarna. Majoriteten av data om denna period av dynamisk omorganisation kommer från gnagar- eller cellkulturstudier som utforskar de molekylära mekanismerna som reglerar dessa stadier av dendritisk arborisering (diskuteras nedan). Det finns också ett omfattande arbete inom zebrafisk som utnyttjar kapaciteten för genetiskt förbättrad time-lapse-avbildning för att ta bort specifika utvecklingshändelser. Även om den här recensionen främst fokuserar på fynd från däggdjurshjärnan, är zebrafiskdata ett viktigt tillägg till fältet och granskas i [58]. Data från mushjärnan visar tydligt bildandet av primära grenar av P10, med den fortsatta utvecklingen av sekundära och tertiära grenar tills ungefär P40 [50]. Variation i dendritisk arborisering mellan kortikala regioner kan detekteras i den neonatala mänskliga hjärnan, där den primära motoriska cortex verkar utvecklas först (baserat på identifiering av längre dendriter och ett större antal dendritiska ryggraden) [59]. Synaptisk täthet i de visuella och auditiva regionerna verkar också utvecklas relativt tidigt [60]. I båda åtgärderna verkar den prefrontala cortex släpa efter i sin mognad, med mindre komplexa dendritiska grenar [52] och ett minskat synapsantal tidigt i livet [60]. Data från schimpanshjärnan visar ett liknande mognadsmönster: neuroner i den prefrontala cortex fortsätter att vara mindre utarbetade tills efter ungdomsbeskärning, även om de i slutändan visar mer komplexitet i deras förgreningsmönster än neuroner i andra kortikala regioner [53].

Bevis för könsskillnader i dendrit-arborisering börjar växa, från en blandning av in vivo- och in vitro-studier. Dessa studier visar en tydligt ökad komplexitet inom de dendritiska arborna hos hippocampus neuroner hos hanmöss vid P28, jämfört med deras kvinnliga motsvarigheter [61]. Detta resultat replikerades i primärneuronal-glialkulturer från P0 hippocampusvävnad i samma musstam och verkade vara åtminstone delvis östrogenberoende [61]. Dessa skillnader i bildandet av dendritiska arbors mellan män och kvinnor kan hjälpa till att förklara de välkända könsskillnaderna i presentationen och diagnosen av neuroutvecklingsstörningar. Medan studien av Keil et al. (2017) kopplar dessa könsskillnader till aktivering av östrogenreceptorn [61], en studie av Beyer och Karolczah (2000) om dopaminerga primära musmellanhjärnorneuronalkulturer tyder på att östrogen också kan stimulera tillväxten av neuroner oberoende av

östrogenreceptor, istället för att vara beroende av cAMP- och PKA-härledd fosforylering av CREB [62]. Dessutom finns det vissa bevis från musstudier som tyder på att könsskillnader i mikroglial utveckling (medfödd och efter inflammation) kan bidra till de observerade skillnaderna ineuronalarborisation och synapsnummer [63].

4.2. Dendritiska ryggraden och synaptisk utveckling

Dendritiska ryggraden är mikroskopiska membranutsprång som omfattar det receptiva postsynaptiska utrymmet av synapser i hjärnan [15]. Spines innehåller signalsubstanser, neuropeptider, receptorer, signalmolekyler, jonkanaler och andra proteiner som deltar i synaptisk överföring. Nybildade dendriter saknar synapser och ryggar. Under spinogenes kommer tunna fingerliknande dynamiska utsprång som kallas filopodia fram från dendritiska bersån. Dessa filopodier kan bilda omogna synapser vid kontakt med axoner; synapser kan förekomma längs hela längden av filopodium och vid dess bas och kan ta emot flera synapser [64]. När spinogenesen fortskrider minskar filopodiernas längd och frekvens, och dendriter börjar producera tunna, stubbiga och mogna svampformade ryggar från indragna filopodier [65].

Dendritisk ryggradsbildning på taggiga neuroner följer dendritisk förgrening efter en naturlig fördröjning, med omogna ryggar som kan detekteras på neuroner i människans hippocampus vid 36 veckors graviditet, en tid då flera dendritiska grenar är närvarande [50]. Ryggraden kommer sannolikt att inträffa ännu tidigare i cortex, eftersom synapser kan detekteras från så tidigt som 27 veckor efter befruktningen, allt från 3–10 synapser/100 um beroende på kortikal region [60]. Den synaptiska tätheten ökar till en topp (~60 synapser/100 um) vid cirka 4 års ålder och minskar sedan under tonåren till en vuxendensitet på cirka 35 synapser/100 um [60]. I musbarken är ryggar tydligt närvarande i omogna tillstånd före P10 och mognar synligt av P20 [54]. Synapser kan detekteras från P5 och ökar snabbt till ett stort stabilt antal mellan P10–17 [66]. Mönster för synapsbildning varierar i hela hjärnan, med början tidigare i de inre kortikala skikten (V, VI) jämfört med de yttre (II, III), efter utvecklingen av cortex inifrån och ut [60].