Parte 1: Collegamento della neurobiologia del danno cerebrale dello sviluppo: arborizzazione neuronale come regolatore della disfunzione e potenziale bersaglio terapeutico

ali.ma@wecistanche.com

Clicca suCistancheHerba per la malattia di Alzheimer

Si prega di fare clic qui per la parte 2

Ane Goikolea-Vives e Helen B. Stolp *

Dipartimento di Scienze Biomediche Comparate, Royal Veterinary College, Londra NW1 0TU, Regno Unito; agoikoleavive18@rvc.ac.uk

* Corrispondenza: hstolp@rvc.ac.uk

Riassunto: I disturbi del neurosviluppo possono derivare da una complessa combinazione di variazioni genetiche e pressioni ambientali sui processi chiave dello sviluppo. Nonostante questa complessa eziologia e l'altrettanto complessa serie di sindromi e condizioni diagnosticate sotto il titolo di disturbo dello sviluppo neurologico, ci sono parallelismi nella neuropatologia di queste condizioni che suggeriscono meccanismi sovrapposti di danno e disfunzione cellulare.Neuronalel'arborizzazione è un processo di estensione dei dendriti e degli assoni che è essenziale per la connettività tra i neuroni che è alla base della normale funzione cerebrale. L'arborizzazione interrotta e la formazione di sinapsi sono comunemente riportate nei disturbi dello sviluppo neurologico. Qui, riassumiamo le prove per il controllo arboricolo neuronale interrotto per Citation: Goikolea-Vives, A.; Stolp, HB Collegamento della neurobiologia della lesione cerebrale dello sviluppo:NeuronaleArborizzazione come regolatore di disfunzione e potenziale bersaglio terapeutico. int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 8220. https://doi.org/ 10.3390/ijms22158220

Redattore accademico:

Giuseppe Lazzarino

Ricevuto: 2 luglio 2021

Accettato: 28 luglio 2021

Pubblicato: 30 luglio 2021

Nota dell'editore: MDPI rimane neutrale per quanto riguarda le rivendicazioni giurisdizionali nelle mappe pubblicate e nelle affiliazioni istituzionali.

Copyright: © 2021 degli autori. Licenziatario MDPI, Basilea, Svizzera. Questo articolo è un articolo ad accesso aperto distribuito secondo i termini e

condizioni della Creative Commons

Licenza di attribuzione (CC BY) (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/).

zione in queste condizioni, concentrandosi principalmente sulla corteccia e sull'ippocampo. Inoltre, esploriamo i meccanismi evolutivi specifici attraverso i qualineuronalel'arborizzazione è regolamentata. Infine, discutiamo i principali regolatori dineuronalearborizzazione che potrebbe collegarsi alla malattia del neurosviluppo e al potenziale di modifica farmacologica dell'arborizzazione e alla formazione di connessioni sinaptiche che potrebbero fornire benefici terapeutici in futuro.

Parole chiave: arborizzazione dendritica; colonna vertebrale dendritica; formazione di sinapsi; disturbo dello sviluppo neurologico; lesione cerebrale perinatale

1. Introduzione

Gli alberi dendritici, insieme alle spine dendritiche nei neuroni spinosi, sono fondamentali per regolare sia le informazioni ricevute da un neurone sia il modo in cui queste informazioni vengono elaborate e agite. Di conseguenza, i cambiamenti nell'arborizzazione dendritica, o la formazione di spine dendritiche, hanno un effetto drammatico sulla funzione cerebrale. Ciò è dimostrato da un consistente corpo di ricerca che correla le alterazioni nei dendriti e nelle spine dendritiche con la gravità dei sintomi cognitivi e comportamentali dei disturbi dello sviluppo neurologico, neuropsichiatrico e neurodegenerativo.

La formazione di dendriti è un evento di sviluppo relativamente tardivo ed esteso, dopo un periodo prolungato di proliferazione, che segue un modello ampiamente stereotipato per tutti i neuroni. È guidato da una combinazione di processi intrinseci regolati geneticamente, particolarmente importanti durante le prime fasi dell'estensione dei neuriti, che sono poi dinamicamente influenzati da una moltitudine di segnali estrinseci, inclusa la regolazione attività-dipendente [1–3]. Per l'identificazione di potenziali terapie per correggere l'arborizzazione interrotta e la connettività nei disturbi del neurosviluppo, è necessario comprendere le conseguenze degli eventi genetici e ambientali sull'arborizzazione dendritica, la dipendenza dal tempo di queste interruzioni e la capacità di compensazione strutturale o funzionale come parte del normale sviluppo. Mentre si stanno facendo progressi nella nostra comprensione di molte di queste aree, c'è ancora una mancanza di panoramica e integrazione delle informazioni necessarie per fare i progressi richiesti nella scoperta terapeutica. Per facilitare questo progresso, esamineremo i collegamenti tra i disturbi del neurosviluppo e lo sviluppo dendritico interrotto, considerando le potenziali conseguenze dell'interruzione per il funzionamento delle reti neurali. Saranno esplorati i meccanismi alla base delle alterazioni della densità dendritica e sinaptica nei disturbi del neurosviluppo, concentrandosi in particolare su quei meccanismi che mostrano risultati promettenti per l'intervento terapeutico.

2. Arborizzazione neuronale interrotta nei disturbi dello sviluppo neurologico

Neuronalela morfologia è un fattore determinanteneuronaleconnettività e normale funzione cerebrale [4,5]. Il pattern di ramificazione dendritica, così come la densità, le dimensioni e la morfologia dei dendritici e delle spine, determinano l'efficacia della trasmissione, integrazione ed elaborazione dell'input sinaptico [5,6]. Molte patologie del neurosviluppo presentano anomalie dendritiche e della colonna vertebrale, riassunte nella Figura 1 [7-10]. Ad esempio, studi post mortem sul cervello di pazienti autistici hanno riportato una ridotta complessità della ramificazione dendritica nelle regioni CA1 e CA4 dell'ippocampo [11], una riduzione del numero di dendriti nella corteccia prefrontale dorsolaterale [12] e una maggiore densità della colonna vertebrale nella corteccia piramidale corticale neuroni [13]. Le anomalie dendritiche sono una caratteristica fondamentale di sindromi come la sindrome di Down, la sindrome di Rett, la sindrome dell'X fragile e la fenilchetonuria; i pazienti hanno mostrato un numero e una lunghezza ridotti di pergole dendritiche, nonché una morfologia anormale e un numero di spine dendritiche nella corteccia cerebrale (rivisto in [14]). Disturbi come l'epilessia e le lesioni cerebrali traumatiche (TBI), in cui è coinvolta l'eccitotossicità, sono stati anche associati alla struttura e alla distribuzione aberranti della colonna vertebrale dendritica [15]. I referti post mortem di pazienti con epilessia hanno mostrato una diminuzione della complessità della ramificazione dendritica, un minor numero di rami, nonché una diminuzione della densità della colonna vertebrale e un gonfiore dendritico nei neuroni piramidali corticali di livello III [16]. Varicosità dendritiche e perdita di spine dendritiche sono state osservate nell'ippocampo di questi pazienti [17]. Il danno cerebrale ipossico/ischemico perinatale può causare difetti neurologici a lungo termine o la morte del neonato (rivisto in [18]). Studi sugli animali hanno dimostrato che gli eventi ipossico-ischemici portano alla perdita delle spine dendritiche, alla comparsa di varicosità dendritiche, alla riduzione della lunghezza dendritica e alla ramificazione dendritica nei neuroni corticali piramidali di ratto [19,20] e nei neuroni corticali e sottocorticali di pecora [21-24] .

Figura 1. Diagramma schematico che riassume le alterazioni associate alla malattia nell'arborizzazione dendritica e nella formazione della colonna vertebrale. Un neurone neurotipico elabora ramificazioni complesse e dendriti lunghi e numerosi. Sviluppa anche spine relativamente stabili e mature. Gli individui con ASD spesso mostrano una ridotta complessità della ramificazione dendritica e una maggiore presenza di spine immature/spinose e una maggiore densità della colonna vertebrale. È stato riscontrato che i neuroni dei pazienti con X fragile e sindrome di Rett mostrano dendriti più corti e meno abbondanti e spine anormalmente lunghe e sottili di maggiore densità. Nei pazienti con epilessia, è stato osservato che i neuroni formano pergole più corte e meno ramificate che spesso mostrano varicosità e spine distorte e anche la densità della colonna vertebrale è ridotta. I neuroni degli individui schizofrenici mostrano una ridotta dimensione della colonna vertebrale e un collo anormale della colonna vertebrale, somi più piccoli e un numero ridotto di dendriti. Nei soggetti con ipossia/ischemia o trauma cranico, i neuroni hanno elaborato dendriti minori e più corti, con varicosità e costrizioni, e hanno mostrato una ridotta densità della colonna vertebrale e la presenza di spine anormali. Nei neuroni di pazienti con AD e PD è stata osservata una diminuzione della lunghezza e della ramificazione dendritica, nonché la perdita della colonna vertebrale. AD—morbo di Alzheimer, ASD—disturbo dello spettro autistico, PD—morbo di Parkinson, TBI—lesione cerebrale traumatica.

3. Arborizzazione neuronale e formazione di sinapsi come parte della formazione del circuito corticale

I primi circuiti corticali nell'uomo si formano nel prelato entro la quinta settimana gestazionale [25-28]. I neuroni all'interno del prelato creano connessioni sinaptiche primitive e temporanee con le cellule adiacenti che agiscono come bersagli provvisori fino a quando i neuroni migratori non arrivano a formare connessioni più stabili. Questi neuroni preplacca sono anche i primi neuroni a proiettarsi all'esterno della corteccia cerebrale. Man mano che le lamine corticali si sviluppano, i neuroni generano connessioni a breve e lunga distanza per creare reti neurali interconnesse locali e globali. I processi di sviluppo che seguono la migrazione e la differenziazione inizialmente risultano eccessivineuronalearborizzazione e connettività sinaptica. Questi richiedono raffinamento, prima per attività spontanea e poi per attività estrinseca dipendente dagli stimoli, al fine di formare e stabilire circuiti neurali maturi [29]. Spontaneoneuronalel'attività è necessaria per lo sviluppo iniziale della connettività e raggiunge la corteccia cerebrale attraverso la via talamocorticale, anche prima che la migrazione radiale dei neuroni corticali sia stata completata [30]. Studi seminali condotti nel sistema visivo dei gatti prenatali hanno dimostrato che il blocco dell'attivazione spontanea dei potenziali d'azione prima dell'apertura degli occhi comprometteva la normale ramificazione terminale dell'assone delle cellule gangliari retiniche [31] e dei neuroni della via talamocorticale, che portava alla formazione aberrante di dominanza oculare colonne nella corteccia visiva primaria [32]. Nella corteccia somatosensoriale del topo in via di sviluppo, prima che qualsiasi stimolo sensoriale possa essere ricevuto, l'assenza di attività spontanea che ha origine dal talamo provoca circuiti corticali ipereccitabili e sviluppo aberrante delle strutture colonnari funzionali [33].

Quando il cervello matura e inizia a ricevere input sensoriali, il numero, il tipo e la forza delle sinapsi varia a causa dineuronaleattività. Questa attività neuronale non solo consente l'aggiunta di informazioni uniche nei modelli neuronali, ma promuove anche il perfezionamento del circuito ed è essenziale nello sviluppo di circuiti maturi. Dopo la nascita, la morfogenesi dendritica è particolarmente suscettibile agli input dipendenti dall'attività ed è fondamentale determinarlaneuronalestruttura dendritica e tipo di connessioni da stabilire [34]. Inoltre, i rami dendritici possono rimodellare in risposta a danni causati da lesioni o malattie. La capacità di rimodellare e adattarsi al cambiamento è definita plasticità, ed è stato dimostrato che è presente per tutta la vita adulta [35,36].

Durante i primi 18 mesi di vita, il tasso di morfogenesi e sinaptogenesi dendritica aumenta e i processi di sviluppo come il rimodellamento della sinapsi dipendente dall'esperienza e la potatura si avvicinano a un periodo critico in cui è stato proposto che tempi e velocità errati portino allo sviluppo di diversi neurosviluppo disturbi [26,37,38]. La potatura dendritica e sinaptica è guidata da un'interazione di neuroni, microglia e astrociti [39]. La potatura avviene in due fasi: subito dopo la nascita - prima infanzia - per garantire la corretta formazione dei circuiti sensoriali; e durante la transizione dall'infanzia, dall'adolescenza e dall'età adulta per rimodellare i circuiti coinvolti nelle funzioni cognitive superiori, inclusa l'autoregolazione [39,40]. La potatura anormale porta a arborizzazione dendritica aberrante e funzione sinaptica.

È interessante notare che la maturazione dei dendriti e l'espressione dei sintomi comportamentali di alcuni disturbi del neurosviluppo sono temporalmente correlati [41]. Ad esempio, l'esordio del disturbo dello spettro autistico (ASD) corrisponde alla crescita dendritica e all'arborizzazione che si verificano durante la prima infanzia [42], e l'espressione dei sintomi del disturbo da deficit di attenzione e iperattività (ADHD) a metà e tarda infanzia e la schizofrenia durante la tarda adolescenza con potatura dendritica e sinaptica [40,41]. La patologia dell'ASD è stata associata a un equilibrio eccitatorio/inibitorio interrotto e a una connettività anormale di aree di associazione di ordine superiore [43]. Poiché l'ASD è spesso accompagnato da un aumento delle dimensioni del cervello durante i primi 3 anni di vita, è stato ipotizzato che potrebbe essere dovuto a una crescita eccessiva dendritica o a una carenza nella potatura e nel mantenimento del normale numero di cellule [42]. L'ADHD e la sindrome di Tourette compaiono nella tarda infanzia e sono caratterizzate da una connettività carente nei circuiti neurali associata all'autoregolazione e alla capacità inibitoria. È stato anche dimostrato che i pazienti con ADHD raggiungono il picco di spessore corticale più tardi rispetto alle loro controparti neurotipiche [44]. L'esordio tipico della schizofrenia si verifica durante l'adolescenza o la giovane età adulta. Nei pazienti schizofrenici, durante la pubertà, l'assottigliamento corticale si verifica a un ritmo più rapido e si estende alle regioni vicine rispetto ai controlli di pari età [45]. È stato proposto che il motivo dell'eccessivo assottigliamento sia dovuto alla ridotta ramificazione dendritica e al ridotto numero di cellule, o più comunemente a un'eccessiva potatura sinaptica oa un rimodellamento sinaptico irregolare [46,47]. Da queste informazioni, possiamo concludere che il mancato mantenimento della corretta maturazione dendritica porta a anomalieneuronalefunzione e istituzione del circuito, che alla fine si traduce nello sviluppo di sintomi comportamentali atipici associati a disturbi del neurosviluppo. In questo contesto, è importante considerare ora la tempistica specifica degli eventi di maturazione dendritica ei meccanismi di segnalazione che li sottendono.

4. Cronologia dello sviluppo e regolazione dell'arborizzazione neuronale e della formazione di sinapsi

La morfologia dei neuroni maturi è caratterizzata dalla moltitudine di processi altamente ramificati che si estendono dal corpo cellulare. Questi neuriti inizialmente si estendono in modo simile, prima della specializzazione, in assoni e dendriti, con la formazione di spine parte della specializzazione dendritica tardiva nei neuroni spinosi [2,3,8]. Le fasi di arborizzazione dendritica possono essere riassunte come (i) crescita (caratterizzata da una fase iniziale lenta e il successivo allungamento rapido), seguita da (ii) estensione e retrazione dinamica, che portano a un periodo finale di (iii) stabilizzazione dendrite (Figura 2). ) [2]. Oltre a questineuronaleprocessi dipendenti, c'è un periodo prolungato di potatura che è particolarmente dipendente da segnali ambientali (rivisto in [1]). Pertanto, esiste un elemento stereotipato di arborizzazione dendritica, sebbene vi siano variazioni nella tempistica degli eventi tra i singoli tipi di cellule, regioni cerebrali e specie.

Figura 2. Diagramma schematico che riassume il periodo di tempo comparativo in cui si verificano gli eventi chiave nell'arborizzazione dendritica. La ramificazione dendritica inizia con la formazione del ramo primario, immediatamente doponeuronalemigrazione alla sua posizione definitiva. Si verificano quindi processi di ramificazione per formare rami secondari e terziari, nonché allungamento del ramo. Durante questo periodo avviene la formazione iniziale delle spine dendritiche e, successivamente, delle sinapsi. La riorganizzazione e la stabilizzazione dei rami dendritici, delle spine e delle sinapsi avvengono relativamente tardi nei processi di sviluppo. Il periodo di tempo comparativo di questi eventi è mostrato per il topo, la pecora, il primate non umano e il cervello umano. E—giorno embrionale, GW—settimana gestazionale, P—giorno postnatale.

4.1. Progressione e tempistica dello sviluppo dei dendriti

I dati raccolti da numerose specie mostrano un modello generale di espansione dendritica durante i primi anni di vita, in cui l'allungamento dei rami dendritici e l'aumento della complessità dei rami sono correlati alla formazione sinaptica. Questo processo si stabilizza prima di un periodo di riorganizzazione e potatura sinaptica durante la prima adolescenza quando si stabiliscono modelli adulti di arborizzazione e connettività sinaptica (vedi Figura2). Tipici pattern di ramificazione precoce, visualizzati con la colorazione di Golgi, mostrano un singolo dendrite primario apicale insieme a 3-9 dendriti basali [48]. Questi si estendono dopo il completamento della migrazione, con il bordo migratorio principale pensato per passare dal neurite apicale primario a questo punto. Il passaggio dalla migrazione all'estensione dendritica sembra, almeno nel topo, essere facilitato dalla rimozione dell'inibizione di Sox11 nella corteccia postnatale precoce.49]. L'assone è generalmente specializzato da un neurite basale, mentre il resto contribuisce all'albero dendritico. Nel cervello umano, la prima ramificazione dendritica è stata segnalata tra le 16 e le 26 settimane di gestazione, aumentando fino a 36 settimane.50,51], e una struttura dendritica consolidata, sebbene rudimentale, è presente a termine, con neuroni corticali al 30-55% della loro lunghezza massima [52]. Un'arborizzazione analoga è stata descritta a termine per primati non umani [53]. Nei neuroni corticali, i dendriti basali sembrano stabilire la loro complessità prima dei dendriti apicali, senza nuovi ordini di ramificazioni identificati nei dendriti basali dopo il termine.52]. Nel cervello del topo, questi passaggi si verificano in gran parte nella prima settimana postnatale, con ramificazioni sostanzialmente equivalenti al termine umano, intorno al giorno postnatale (P)7-10 (vedi dati comparativi in ​​[49,54–56] come esempi). Nella pecora, un altro animale comune per la modellazione del danno cerebrale dello sviluppo, l'arborizzazione dendritica all'interno della corteccia inizia intorno al {{0}},7–0,85 della gestazione (vedere i dati in [21,23,24]).

Un'analisi dei neuroni dello strato V nella corteccia prefrontale umana suggerisce che esiste una rapida fase di espansione e ramificazione dendritica che continua fino a 5 anni di età [57]. Segue poi un lungo periodo di riorganizzazione dinamica locale dei rami dendritici. La maggior parte dei dati relativi a questo periodo di riorganizzazione dinamica proviene da studi su roditori o colture cellulari che esplorano i meccanismi molecolari che regolano questi stadi di arborizzazione dendritica (discussi di seguito). Esiste anche una notevole mole di lavoro sullo zebrafish, che utilizza la capacità di imaging time-lapse geneticamente migliorato per non selezionare specifici eventi dello sviluppo. Sebbene questa revisione si concentri principalmente sui risultati del cervello dei mammiferi, i dati del pesce zebra sono un'importante aggiunta al campo e sono esaminati in [58]. I dati del cervello del topo mostrano chiaramente la formazione di rami primari da parte di P10, con la continua elaborazione di rami secondari e terziari fino a circa P40 [50]. La variazione dell'arborizzazione dendritica tra le regioni corticali è rilevabile nel cervello umano neonatale, con la corteccia motoria primaria che sembra svilupparsi per prima (basato sull'identificazione di dendriti più lunghi e un numero maggiore di spine dendritiche) [59]. Anche la densità sinaptica nelle regioni visive e uditive sembra svilupparsi relativamente presto [60]. In entrambe le misure, la corteccia prefrontale sembra ritardare nella sua maturazione, con rami dendritici meno complessi [52] e un numero ridotto di sinapsi nei primi anni di vita [60]. I dati del cervello dello scimpanzé mostrano un modello di maturazione simile: i neuroni nella corteccia prefrontale continuano ad essere meno elaborati fino a dopo la potatura adolescenziale, sebbene alla fine mostrino più complessità nel loro schema di ramificazione rispetto ai neuroni in altre regioni corticali.53].

Le prove delle differenze di sesso nell'arborizzazione dei dendriti stanno iniziando a crescere, da una combinazione di studi in vivo e in vitro. Questi studi mostrano una complessità chiaramente aumentata all'interno delle pergole dendritiche dei neuroni dell'ippocampo nei topi maschi a P28, rispetto alle loro controparti femminili.61]. Questo risultato è stato replicato in primarioneuronale-glialecolture da tessuto ippocampale P0 nello stesso ceppo di topo e sembrava essere almeno in parte estrogeno-dipendente [61]. Queste differenze nella formazione di pergole dendritiche tra maschi e femmine possono aiutare a spiegare le differenze di sesso ben riconosciute nella presentazione e nella diagnosi dei disturbi dello sviluppo neurologico. Mentre lo studio di Keil et al. (2017) collega queste differenze di sesso all'attivazione del recettore degli estrogeni [61], uno studio di Beyer e Karolczah (2000) sul dopaminergico mesencefalo di topo primarioneuronaleculture suggerisce che gli estrogeni possono anche stimolare la crescita dei neuroni indipendentemente dal

recettore degli estrogeni, invece di essere dipendente dalla fosforilazione di CREB derivata da cAMP e PKA [62]. Inoltre, ci sono alcune prove da studi sui topi che suggeriscono che le differenze di sesso nello sviluppo della microglia (innata e successiva infiammatoria) possono contribuire alle differenze osservate nellaneuronalenumero di arborizzazione e sinapsi [63].

4.2. Spine dendritiche e sviluppo sinaptico

Le spine dendritiche sono microscopiche protuberanze di membrana che comprendono il compartimento ricettivo postsinaptico delle sinapsi nel cervello.15]. Le spine contengono neurotrasmettitori, neuropeptidi, recettori, molecole di segnalazione, canali ionici e altre proteine ​​che partecipano alla trasmissione sinaptica. I dendriti di nuova formazione mancano di sinapsi e spine. Durante la spinogenesi, dal pergolato dendritico emergono sottili protuberanze dinamiche simili a dita denominate filopodia. Questi filopodi possono formare sinapsi immature a contatto con gli assoni; le sinapsi possono verificarsi lungo l'intera lunghezza del filopodio e alla sua base e possono ricevere sinapsi multiple [64]. Man mano che la spinogenesi procede, la lunghezza e la frequenza dei filopodi diminuiscono e i dendriti iniziano a produrre spine a forma di fungo sottili, tozze e mature da filopodi retratti.65].

La formazione di spine dendritiche sui neuroni spinosi segue la ramificazione dendritica dopo un ritardo naturale, con spine immature rilevabili sui neuroni nell'ippocampo umano entro 36 settimane di gestazione, un momento in cui sono presenti più rami dendritici.50]. È probabile che la formazione della colonna vertebrale avvenga anche prima nella corteccia, poiché le sinapsi possono essere rilevate già a 27 settimane dall'età post-concepimento, con un range compreso tra 3-10 sinapsi/100 um a seconda della regione corticale.60]. La densità sinaptica aumenta a un picco (~60 sinapsi/100 um) intorno ai 4 anni di età e poi diminuisce durante l'adolescenza fino a una densità adulta di circa 35 sinapsi/100 um [60]. Nella corteccia del topo, le spine sono chiaramente presenti in stati immaturi prima di P10 e visibilmente mature da P20 [54]. Le sinapsi sono rilevabili da P5, aumentando rapidamente fino a un numero molto stabile tra P10–17 [66]. I modelli di formazione delle sinapsi variano in tutto il cervello, iniziando prima negli strati corticali interni (V, VI) rispetto a quelli esterni (II, III), seguendo lo sviluppo interno-esterno della corteccia.60].