Молодежный инновационный вестник

2415-7805

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный медицинский университет имени Н.Н. Бурденко" Министерства здравоохранения Российской Федерации

10908

Conference Proceedings

Heterogeneity and plasticity of the spine apparatus

Орехова

Daria Evgenyevna

orekh0va.dasha@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0001-4527-2785Vorontsova

Zoya Afanasyevna

Doctor of Biological Sciences, Professor, Professor at the Department of Histologyz.vorontsova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3610-2549

Voronezh State Medical University named after N. N. BurdenkoVoronezh N.N. Burdenko State Medical University

04112025

142101105

15042025

24042025

2025

Introduction. Dendritic spines are stalk-like outgrowths on the surface of dendrites that function as a postsynaptic component of a neuronal synapse. These structures are able to change their morphofunctional characteristics in response to synaptic activity, which underlies the phenomenon of plasticity and is crucial for learning and memory processes. Relevance. Today, dendritic spines are key structures that ensure synaptic transmission and plasticity of neuronal connections. The spine apparatus ensures normal brain development, functioning, and aging of the brain, but the slightest non-standard changes in its structure are associated with behavioral and cognitive disorders, as well as neurodegenerative and psychiatric diseases. Due to the active study of the nature of these disorders and the changes that occur in the body, it is more important than ever to highlight the issue of heterogeneity and plasticity of dendritic spines. The aim of this research work is to analyze and compare the existing methods of morphofunctional study of dendritic spines, including traditional morphometric methods and a decision tree-based digital classification algorithm, as well as to characterize the changes in morphology and density of dendritic spines in various pathological conditions. Materials and methods. Analysis of domestic and foreign publications, systematization of data, comparative analysis of data. The obtained data emphasize the importance of detailed dendritic spine studies for developing new diagnostic strategies to identify neurodegenerative disorders.

dendritic spinesspine apparatusmicromorphological criteriaplasticity

дендритные шипикишипиковый аппаратмикроморфологические критериипластичность

Введение. Дендритные шипики это локальные выпячивания на мембране дендрита. Они являются наиболее лабильными ультраструктурными изменениями дендритов. Изменения в размере, форме и плотности данных структур связаны с процессом обучения и памятью, а также наблюдаются после злоупотребления наркотиками при различных нейродегенеративных, нейроразвивающих и психических расстройствах. Шипиковый аппарат обеспечивает нормальное развитие, функционирование и старение мозга, однако малейшие изменения в его структуре так же связаны с нейродегенеративными изменениями, проявлением поведенческих и когнитивных расстройств. В последние годы наблюдается рост интереса к изучению природы нейродегенеративных процессов, что связано с увеличением числа возрастных когнитивных расстройств и отсутствием эффективных методов их диагностики, профилактики и лечения. Несмотря на развитие методов нейровизуализации и морфометрического анализа, точные механизмы деградации шипикового аппарата и его влияние на когнитивные функции остаются недостаточно изученными. В связи с этим современные цифровые технологии, включая алгоритмы машинного обучения и автоматизированные методы классификации, открывают новые возможности для объективного и воспроизводимого анализа шипиков. Цель работы. Настоящая работа направлена на обзор существующих методов морфофункционального анализа дендритных шипиков, включая традиционные морфометрические подходы и современные цифровые алгоритмы классификации, а также на описание характерных изменений шипикового аппарата при различных патологических состояниях. Материалы и методы исследования. В качестве материала использованы отечественные и зарубежные научные публикации, в которых рассматриваются морфологические, количественные и классификационные аспекты анализа дендритных шипиков. Методологической основой послужили сравнительный, описательный и аналитический методы. Результаты исследования. Дендритные шипики подразделяются на несколько типов: грибовидные, тонкие, пенькообразные и филоподии. Каждый из них обладает характерной структурой и функциональной ролью в передаче и модуляции синаптического сигнала. <ul> <li>Грибовидные шипики характеризуются выраженной головкой и тонкой шейкой, соединяющей их с телом дендрита. Такие структуры участвуют в устойчивых синаптических контактах и связаны с долговременным хранением информации.</li> <li>Тонкие дендритные шипики по строению напоминают грибовидные, однако отличаются меньшим объёмом головки относительно длины шейки. Эти структуры характеризуются высокой пластичностью и считаются активно участвующими в формировании новых синаптических связей. Предполагается, что именно они играют важную роль в процессах обучения и запоминания, сопровождающихся ростом головки при активации синаптической пластичности.</li> <li>Пеньковые, как правило, лишены выраженной шейки. Они преимущественно встречаются в период раннего постнатального развития, однако в небольшом числе сохраняются и у взрослых нейронов.</li> <li>Филоподии представляют собой удлинённые и тонкие мембранные выросты дендритной, не имеющие четко выраженной головки. Чаще всего они наблюдаются в развивающейся нервной ткани, однако могут появляться и в зрелом мозге, особенно при усиленной синаптической пластичности, вызванной, например, повреждением нервной системы. По сравнению с другими типами шипиков, филоподии являются высокодинамичными структурами с коротким сроком жизни. Считается, что они представляют собой незрелые элементы, ещё не образовавшие стабильные синаптические контакты с аксонами, поэтому обычно не включаются в расчёты плотности синапсов [1].</li> </ul> В последние годы получил развитие новый подход к анализу дендритных шипиков кластеризация по морфологическим признакам. В отличие от классической классификации, этот метод не требует предварительного задания категорий, а автоматически группирует шипики по сходству их структуры. Каждый шипик в таком анализе представляется в виде набора количественных морфологических характеристик, а алгоритм кластеризации оценивает степень сходства между элементами и распределяет их по соответствующим группам. Результаты подобных исследований поддерживают гипотезу о наличии переходных форм между основными типами шипиков, что подтверждает морфологическую непрерывность их изменений. Исследования дендритной системы (самых дендритов и их шипиков) проводились ещё в 70-х годах прошлого века, правда, назывались они дентритным деревом. Стоит отметить, что все образцы для исследования были получены постмортально. В данном случае образцы парагиппокампальной извилины были взяты из головного мозга 15 человек при вскрытии. Среди них было пять неврологически нормальных взрослых среднего возраста (от 44 до 55 лет), пять взрослых престарелого и старческого возраста (от 68 до 92 лет) и пять случаев старческой деменции (далее СД) (от 70 до 81). Для обработки данных использовался трехмерный аналог анализа концентрических окружностей Шолла. Компьютер построил концентрические сферы с интервалом 10-Ам, центрированные на теле клетки и подсчитал пересечения дендритов с каждой сферой, что дало возможность оценить плотность дендритов в зависимости от расстояния от тела клетки. Поскольку базальные и апикальные деревья рассматривались отдельно, сферы становились по сути полусферами. На обоих графиках (рис. 1) представлены данные, полученные в апикальной части дендритного сплетения. Нейроны из старческого мозга имели более обширные апикальные дендритные деревья, чем те, что были обнаружены в мозге взрослого человека или при СД. Рис. 1. (A) Количество дендритных (апикальных) пересечений на клетку с концентрическими сферами, расположенными вокруг тела клетки на расстоянии 10 дптр друг от друга. (B) Длина дендритов на апикальное дерево в зависимости от порядка центрифугирования. Корреляцию между количеством и плотностью именно синапсов (а не дендритов) в коре головного мозга и когнитивными способностями при нейродегенеративных заболеваниях выявили ещё в конце ХХ века: в четырех исследованиях количественно оценивалась плотность синапсов в коре головного мозга при болезни Альцгеймера (далее БА). Используя иммуноокрашивание маркеров, специфичных для синапсов, таких как синаптофизин, исследователи зафиксировали относительное снижение такого окрашивания в гиппокампе и коре головного мозга в посмертных случаях БА по сравнению с аутопсированными контрольными образцами. Исследователи пришли к выводу, что потеря синапсов в образцах биопсии пациентов с БА коррелирует с когнитивным состоянием пациента и является одной из структурных причин снижения когнитивных функций. В аутопсийных образцах пациентов, умерших на более поздних стадиях болезни, наблюдается дальнейшее уменьшение числа синапсов. Затем, начиная с 1999 года, количество исследований, затрагивающих шипиковый аппарат, дендритные шипики и их морфофункциональную классификацию, стало стремительно увеличиваться. Традиционные методы морфометрии включают в себя ручную классификацию шипиков на основе визуальных признаков, что может сопровождаться высокой степенью субъективности. В связи с этим в последние годы получили распространение алгоритмы автоматизированной сегментации и классификации, такие как программа SpineTool и метод CLDH (гистограмма распределения длин хорд), позволяющие количественно оценивать морфологию шипиков в трёхмерных реконструкциях. SpineTool позволяет сегментировать дендритные шипики на 3D-изображениях, извлекать их ключевые морфологические характеристики, а также классифицировать и группировать их. Вместо широко используемых дескрипторов шипиков, основанных на цифровых данных, использована методика гистограммы по длине хорд внутри дендритного шипика (CLDH). Данный метод основан на распределении длин хорд, случайно сгенерированных внутри объёма дендритного шипика. Разработанный аналитический конвейер состоит из четырёх модулей: сегментация конфокального изображения, извлечение геометрических характеристик шипиков, классификация и кластеризация шипиков. Это обеспечивает менее предвзятый анализ и позволяет проводить эффективную и автоматизированную кластеризацию шипиков [2]. Исследования показывают, что при нейродегенеративных процессах наблюдается снижение плотности дендритных шипиков, преимущественно зрелых форм (грибовидных), а также нарушение их пространственной организации. Особенно ярко эти изменения выражены в структурах, связанных с когнитивной функцией, таких как гиппокамп и кора больших полушарий. Уменьшение количества синапсов коррелирует с ухудшением памяти, обучаемости и других когнитивных показателей. например, при болезни Альцгеймера, где наблюдается атрофия дендритных шипиков головного мозга без симптоматики. Генетическое нейродегенеративное заболевание болезнь Хантингтона характеризуется потерей синапсов в полосатом теле головного мозга, что связано с прогрессирующей дискоординацией движений. Для расстройств аутистического спектра, напротив, характерно значительное увеличение плотности шипиков в различных областях мозга, включая лобные, височные и теменные доли, а также латеральное ядро миндалины. На фоне сопоставления электронномикроскопических данных и соотношения параметров классификации, плотности распределения или утраты шипиков констатируются заболевания коры головного мозга. В научных исследованиях было показано, что электромагнитные поля радиочастотного диапазона вызывают изменение общего количества дендритных шипиков в зубчатой извилине, их сморщивание в пирамидных клетках [3]. При воздействии мозговой дозы ионизирующей радиации наблюдалось набухание шипиков и утрата синаптической связи. Эквивалентный эффект наблюдался в условиях применения транквилизирующей дозы этанола. Комбинированное воздействие гамма-облучения и этанола вызывало эффект синергизма. Был отмечен радиопротективный эффект при изменении последовательности воздействия в комбинации этанол+облучение. Выявленные однонаправленные изменения при изолированном воздействии облучения и этанола определили сходство состояний как модели радиационного поражения (Ушаков И. Б. и др., 1998). Таким образом, шипиковый аппарат является важной мишенью при воздействии радиационных факторов и этанола. Установлена высокая чувствительность шипикового аппарата к факторам радиационной природы, в определенных условиях эквивалентная воздействию этанола. В то же время его провоцирующее действие способствует радиопротекции на фоне сбалансированности процессов, определяющих пластичность шипикового аппарата, что является диагностически важным для нормальной работы мозга. Заключение. Дендритные шипики являются чувствительными индикаторами состояния нейрональных сетей. Изменения их морфологии и плотности сопровождают широкий спектр заболеваний головного мозга и могут рассматриваться как перспективные маркеры для ранней диагностики нейродегенеративных состояний. Современные цифровые технологии значительно расширяют возможности анализа шипикового аппарата и открывают путь к более точному и воспроизводимому исследованию структурной нейропластичности. Тем не менее, несмотря на большой прогресс в изучении дендритных шипиков, остаются нерешенными вопросы о функциональной роли разнообразия форм шипиков, механизмах их формирования и устранения, а также каким образом изменения в структуре шипиков связаны с процессами запоминания и забывания и можно ли использовать изменения в шипиках для раннего выявления болезней. Это подчеркивает значимость детального изучения дендритных шипиков в контексте разработки новых диагностических стратегий, определяющих нейродегенеративные расстройства.

Pchitskaya, E. Dendritic Spines Shape Analysis-Classification or Clusterization? Perspective / E. Pchitskaya, I. Bezprozvanny // Frontiers in Synaptic Neuroscience. – 2020. – Vol. 12. – P. 31. – DOI 10.3389/fnsyn.2020.00031. – EDN ZNKDVS.

SpineTool is an open-source software for analysis of morphology of dendritic spines / E. Pchitskaya, P. Vasiliev, D. Smirnova [et al.] // Scientific Reports. – 2023. – Vol. 13, No. 1. – P. 10561. – DOI 10.1038/s41598-023-37406-4. – EDN SDSLKZ.

Хорсева, Н. И. Эффекты воздействий радиочастотных электромагнитных полей на нервную систему. Эксперименты in vitro / Н. И. Хорсева, П. Е. Григорьев // Журнал медико-биологических исследований. – 2024. – Т. 12, № 2. – С. 229-239. – DOI 10.37482/2687-1491-Z181. – EDN UHYTXG.