Pásková synapse je typ neuronální synapse, který je charakterizován unikátními mechanismy multivezikulárního uvolňování a polohování vápníkových kanálů, které podporují rychlé uvolňování neurotransmiterů a přenos signálu. Páskové synapse procházejí probíhajícím cyklem exocytózy a endocytózy v reakci na odstupňované změny membránového potenciálu.
Tyto jedinečné vlastnosti specializují ribbonovou synapsi tak, aby umožňovala extrémně rychlé, přesné a trvalé neurotransmise, které jsou kritické pro vnímání komplexních smyslů, jako je zrak a sluch. Ribbonové synapse se nacházejí v retinálních fotoreceptorových buňkách, receptorech vestibulárních orgánů, kochleárních vlasových buňkách a retinálních bipolárních buňkách.
Synaptická stuha je unikátní struktura v aktivní zóně synapse. Vznáší se několik nanometrů nad pre-synaptickou membránou a uvazuje 100 nebo více synaptických váčků. Každá pre-synaptická buňka může mít k sobě přivázáno 10 až 100 stuh, čímž se celkový počet zvyšuje na 1000 až 10000 váčků.
Vlastnosti ribbonové synapse jí umožňují zpracovávat informace extrémně rychle. Bipolární neurony představují dobrý model fungování ribbonových synapsí.
Ve fotoreceptorech a bipolárních buňkách se informace přenáší uvolněním neurotransmiteru glutamátu v ribbonové synapsi. Konvenční neurony kódují informace změnami v rychlosti akčních potenciálů, ale pro komplexní smysly, jako je vidění, to nestačí. Ribbonové synapse umožňují neuronům přenášet světelné signály v dynamickém rozsahu intenzity několika řádů. Toho je dosaženo kódováním změn v tonické rychlosti uvolnění transmiteru, které vyžaduje uvolnění několika set až několika tisíc synaptických váčků za sekundu.
K dosažení této úrovně výkonnosti senzorické neurony oka udržují velké bazény rychle uvolnitelných váčků, které jsou vybaveny ribbonovými synapsemi. To umožňuje buňce exocytózovat stovky váčků za sekundu, což značně převyšuje rychlost normálních neuronů bez specializované ribbonové synapse.
Současná hypotéza kalcium-dependentní exocytózy u synapsí retinálních pásů naznačuje, že pás pojme rezervoár primovaných uvolnitelných váčků. Váčky, které jsou v nejtěsnějším kontaktu s presynaptickou plazmatickou membránou na bázi pásu, tvoří malý, rychle uvolnitelný bazén váčků, zatímco zbývající váčky připoutané ke pásu tvoří velký, snadno (pomalejší) uvolnitelný bazén. Tyto pravidelně zarovnané řady synaptických váčků připoutaných po obou stranách pásu spolu s expresí kinesinového motorického proteinu KIF3A na synapsích retinálních pásů mohou pohybovat váčky jako dopravníkový pás k místu uchycení/uvolnění na bázi pásu.
Pásková synapse fotoreceptorů má tloušťku kolem 30 nm. Vyčnívá do cytoplazmy kolem 200-1000 nm a kotví podél své základny k arciformní hustotě, což je struktura elektronové hustoty, která je ukotvena k presynaptické membráně. Hustota arciformu se nachází uvnitř synaptického hřbetu, což je malá evaginace presynaptické membrány. Vlasové buňky postrádají arciformní hustotu, takže ukotvení této pásky je považováno za neviditelné elektronovým mikroskopem. Povrch pásky má malé částice, které jsou kolem 5 nm široké v místech, kde se synaptické váčky hustě uvazují přes jemná proteinová vlákna. Na jeden váček připadá více vláken. Na dokovacích místech synapse pásky jsou také napěťově řízené vápníkové kanály typu L, které spouštějí uvolňování neurotransmiterů. Konkrétně, páskové synapse obsahují specializované organely zvané synaptické pásky, což jsou velké presynaptické struktury spojené v aktivní zóně. Předpokládá se, že dolaďují cyklus synaptických váčků. Synaptické pásky jsou v těsné blízkosti synaptických váčků, které jsou zase blízko místa uvolnění presynaptického neurotransmiteru přes pásek.
Postsynaptické struktury se liší u kochleárních buněk a fotoreceptorových buněk. Vlasové buňky umožňují jedno uvolnění váčků pro jedno šíření akčního potenciálu. Vlasové buňky dodávají jedno uvolnění váčků na postsynaptický záchvat, což stačí k vytvoření akčního potenciálu ve sluchově aferentních buňkách. Fotoreceptory umožňují jedno uvolnění váčků pro mnoho šíření akčního potenciálu. Tyčová koncová a kuželová synapse fotoreceptorů mají horizontální synaptické páteře exprimující AMPA receptory s dalšími bipolárními dendrity vykazujícími mGluR6 receptory. Tyto struktury umožňují vazbu více molekul glutamátu, což umožňuje šíření mnoha akčních potenciálů.
V souladu s jeho aktivitou mohou mít synapse synaptické pásky, které se liší velikostí. U myších fotoreceptorových synapsí, kdy je rychlost uvolňování neurotransmiterů vysoká a exocytóza je vysoká, jsou synaptické pásky dlouhé. Když je rychlost uvolňování neurotransmiterů nízká a exocytóza je nízká, jsou synaptické pásky krátké. To bylo identifikováno u RIBEYE s aktuální hypotézou, že synaptické pásky se mohou zvětšit přidáním více podjednotek RIBEYE. RIBEYE interakce jsou nutné k vytvoření proteinu tvoření lešení synaptické pásky.
Během exocytózy u bipolární ribbonové synapse je vidět, že se váčky na membráně zastavují a poté po otevření kalciových kanálů se jejich obsah během milisekund rychle uvolní. Jako většina exocytóz, i Ca2+ reguluje uvolňování váčků z presynaptické membrány. Různé typy ribbonových synapsí mají různou závislost na uvolňování Ca2+. Páskové synapse vlasových buněk vykazují strmou závislost na koncentraci Ca2+, zatímco fotoreceptorové synapse jsou méně strmě závislé na Ca2+ a jsou stimulovány mnohem nižšími hladinami volného Ca2+. Exocytóza v ribbonové synapsi ukazuje, že se váček plně zhroutí do plazmatické membrány. To znamená, že se synaptický váček spojí s presynaptickou membránou a uvolní její obsah do synapse.
Vysoké množství endocytózy je nezbytné kvůli velkému množství exocytózy během pokračujícího uvolňování neurotransmiterů v ribbonových synapsích. Aby mohlo dojít k dalšímu přenosu, je třeba synaptické váčky recyklovat. Tyto váčky jsou přímo recyklovány a díky své mobilitě rychle doplňují neurotransmitery potřebné pro pokračující uvolňování.
V kuželových fotoreceptorech je sloučená membrána recyklována do synaptického váčku bez sdružování membrány do endosomů. Bipolární buňky spoléhají na jiný mechanismus. Zahrnuje odebrání velké části membrány, která je endocytována a dává vzniknout synaptickým váčkům. Tento mechanismus se uchovává i ve vlasových buňkách.
Současné studie abnormalit spojených s ribbonovou synapsí
Ztráta sluchu a zraku u myší
Výzkum ukázal, že abnormální exprese otoferlinu, proteinu spojeného s ribbon synapse, je zodpovědná za poškození exocytózy váčků vázaných na stuhu v buňkách sluchového vnitřního vlasu. Otoferlin vykazuje podobné funkční charakteristiky jako synaptotagmin v buňkách sluchového vnitřního vlasu a bylo prokázáno, že porucha sluchu je spojena s nesprávnou expresí otoferlinu u myší a myší.
Ve studiích retinálního genetického kódování laboratorních myší bylo prokázáno, že několik pomocných podjednotek kalciových kanálů typu L s mutací ribbonové synapse je spojeno s dysfunkční aktivitou tyče a kužele a přenosem informací. Bylo prokázáno, že myši exprimují významně snížené skopotopické vidění a další výzkum ukázal, že dysregulace kalciové homeostázy může mít významnou roli v degradaci a smrti tyčových fotoreceptorů.
Velká část genetických informací spojených s bílkovinami pozorovanými u laboratorních myší je sdílena s lidmi. Bílkovina otoferlin je fenotypicky pozorována v lidských sluchových vnitřních vlasových buňkách a abnormální exprese je spojena s hluchotou. U lidí se ukázalo, že kochleární implantáty snižují oslabující účinky abnormální exprese otoferlinu překonáním synapse spojené s sluchovými vnitřními vlasovými buňkami.
Genetický kód retinálních podjednotek spojených s poškozeným skopickým viděním a degradací tyčinkových fotoreceptorů je zachován přibližně na 93% mezi myšmi a lidmi. Další výzkum abnormálního fungování těchto mechanismů by mohl otevřít dveře terapeutickým technikám k úlevě od sluchových a zrakových postižení.
Další oblasti vyšetřování
Několik nedávných studií přineslo důkazy, že ztráta funkce mutací v pre-synaptických proteinech fotoreceptorových buněk ribbon synapse může způsobit X-linked kongenitální stacionární noční slepotu (CSNB) prostřednictvím mutací v genu CACNA1F, který kóduje αF1-podjednotku vápníkového kanálu typu L Cav1.4. Gen je exprimován v aktivní zóně fotoreceptorových ribbonových synapsí. Mutace je charakterizována výrazným snížením noční i variabilní perturbace vidění za denního světla. Mutace v CACNA1F a Cav1.4 byly také pozorovány, že se kolokalizují s CaBP4, fotoreceptorově specifickým vápníkovým vázajícím proteinem. CaBP4 byl teoreticky popsán pro modulaci aktivity Cav1.4 kanálu. Bylo teoretizováno, že je spojen se správným zřízením a udržováním fotoreceptorových ribbonových synapsí. I když nebyly publikovány žádné důkazy, souvislost mezi CaBP4 a Cav1.4 je oblastí pokračujícího výzkumu.
Byl proveden významný výzkum presynaptického cytomatrického proteinu fagot, což je multidoménový lešenářský protein, který je univerzálně exprimován v synapsích v centrálním nervovém systému. Bylo prokázáno, že mutace v fagotu mají za následek sníženou synaptickou transmisi. Nicméně základní mechanismy tohoto pozorovaného jevu nejsou zcela objasněny a v současné době jsou zkoumány. Bylo pozorováno, že v sítnici myší s fagotovou mutací nejsou během fotoreceptorové synaptogeneze fotoreceptorové ribbonové synapse ukotveny v pre-synaptických aktivních zónách. Je pozorováno, že fotoreceptorové ribbonové synapse volně plavou v cytoplazmě fotoreceptorových terminálů. Tato pozorování vedla k závěru, že fagot hraje rozhodující roli při tvorbě fotoreceptorové ribbonové synapse.
soma, axon (axon hillock, axoplasmus, axolemma, neurofibril/neurofilament), dendrit (Nisslovo tělo, dendritická páteř, apikální dendrit, bazální dendrit)typy (bipolární, pseudounipolární, multipolární, pyramidové, Purkinje, granule)
GSA, GVA, SSA, SVA, vlákna (Ia, Ib nebo Golgi, II nebo Aβ, III nebo Aδ nebo rychlá bolest, IV nebo C nebo pomalá bolest)
GSE, GVE, SVE, horní motorický neuron, dolní motorický neuron (α motorneuron, γ motorneuron)
neuropil, synaptický váček, neuromuskulární spojení, elektrická synapse – Interneuron (Renshaw)
Volné nervové zakončení, Meissnerova krvinka, Merkelové nervové zakončení, Svalové vřeteno, Pacinianova krvinka, Ruffiniho zakončení, Čichový receptorový neuron, Fotoreceptorová buňka, Vlasové buňky, Chuťové buňky
astrocyt, oligodendrocyt, ependymální buňky, mikroglie, radiální glie
Schwannova buňka, oligodendrocyt, Ranvierovy uzliny, internoda, Schmidt-Lantermanovy řezy, neurolemma
epineurium, perineurium, endoneurium, nervový fascikl, meninges