에프랩틱 커플링

Ephaptic coupling

Ephaptic coupling은 신경계 내의 통신의 한 형태로서 전기 시냅스나 화학 시냅스와 같은 직접 통신 시스템과 구별된다. 세포간 이온 교환으로 인한 인접(터칭) 신경섬유의 결합을 가리킬 수도 있고, 국소 전기장의 결과로 신경섬유의 결합을 가리킬 수도 있다.[1] 어느 경우든 Ephaptic coupling은 뉴런에서 동작 전위 발화의 동기화와 타이밍에 영향을 미칠 수 있다. 골수염은 세포간 상호작용을 억제하는 것으로 생각된다.[2]

역사와 어원

신경조직에 의해 생성된 전기적 활동이 주변 신경조직의 활동에 영향을 미칠 수 있다는 생각은 19세기 후반으로 거슬러 올라간다. 듀 보이스-레이몬드의 것과 같은 초기 실험에서는 일차신경의 발사가 인접한 이차신경의 발화를 유도할 수 있다는 것을 입증했다('[3]이차 흥분'이라고 한다). 그러나 이러한 효과는 1940년 캣츠와 슈미트의[4] 실험이 있을 때까지 정량적으로 탐구되지 않았다. 이때 두 사람은 게발암매니아(Tarmus maenas)의 인접한 두 사지신경의 전기적 상호작용을 탐구했다. 그들의 연구는 활성 축에서 작용 전위의 진행이 비활성 축의 흥분성 변화를 유발한다는 것을 증명했다. 이러한 변화는 작용 잠재력을 형성하는 국지적 조류에 기인했다. 예를 들어 활성신경의 탈극화(흥분)를 일으킨 전류는 인접한 휴식섬유의 해당 극극화(우울화)를 유발했다. 마찬가지로 활성신경의 재분극화를 일으킨 조류도 휴게섬유에 약간의 탈분극화를 일으켰다. 캣츠와 슈미트도 양쪽 신경의 자극이 간섭 효과를 일으킬 수 있다고 관찰했다. 동시 작용 전위 발사는 간섭을 유발하여 전도 속도를 감소시켰고, 약간의 상쇄 자극은 두 임펄스의 동기화를 초래했다.

1941년 앙제리크 아르바니타키는[5] 같은 주제를 탐구하여 (그리스 에팍시스에서 "터치"라는 뜻으로) 이 현상을 묘사하고 시냅스 전송과 구별하기 위해 (그리스 에팍시스에서 "터치"라는 의미)라는 용어의 사용을 제안했다. 시간이 지남에 따라 Ephaptic coupling이라는 용어는 인접한 요소들 사이의 전기적 상호작용의 경우에 사용될 뿐만 아니라 세포막을 따라 있는 어떤 장 변화로 인해 유발되는 영향을 설명하기 위해 더 일반적으로 사용되게 되었다.[6]

메커니즘 및 효과

흥분 및 억제에서의 역할

캣츠와 슈미트가 수행한 초기 연구는 인접한 두 신경 사이의 에프틱 결합이 휴식 신경의 작용 전위를 자극하기에 불충분하다는 것을 보여주었다. 이상적인 조건에서 관측된 최대 탈극화는 임계 자극의 약 20%이었다.[4] 그러나 하나의 뉴런에서 나오는 작용전위가 이웃 뉴런으로 확산될 수 있도록 조건을 조작할 수 있다. 이는 두 가지 실험 조건에서 칼슘 농도를 증가시켜 임계 전위를 낮추거나 광유에 액손들을 담그어 저항을 증가시킴으로써 달성되었다. 이러한 조작은 정상적인 상태를 반영하지 못하지만, 발작성 흥분 뒤의 메커니즘을 강조한다.[7]

또한 주변 신경세포의 억제에도 에프랩틱 결합이 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 뉴런의 위치와 정체성에 따라, 다양한 메커니즘이 에프랩적 억제의 기초가 되는 것으로 밝혀졌다. 한 연구에서 새로이 흥분한 이웃 뉴런들이 이미 지속된 전류를 방해하여 세포외 전위를 낮추고 주변 환경과 관련하여 뉴런을 탈분극화하여 작용 전위의 전파를 효과적으로 억제하였다.[8]

동기화 및 타이밍에 대한 역할

또한 ephaptic coupling에 대한 연구는 뉴런에서 작용 전위의 동기화 및 타이밍에 그것의 역할에 초점을 맞추었다. 동시 자극을 경험하는 인접 섬유의 단순한 경우에서 두 섬유가 모두 간액만으로 이온을 교환하는 것으로 제한되어 있기 때문에(신경의 저항력을 증가시킨다) 충동이 느려진다. 약간 오프셋된 충동(전도의 속도가 10% 미만 차이)은 이온을 건설적으로 교환할 수 있으며 작용 전위는 동일한 속도로 위상 밖으로 약간 전파된다.

그러나 보다 최근의 연구는 다양한 뉴런에 영향을 미치는 전기장의 보다 일반적인 사례에 초점을 맞추고 있다. 피질 뉴런의 국소장 전위는 뉴런 활동을 동기화하는 역할을 할 수 있다는 것이 관찰되었다.[9] 이 메커니즘은 알려져 있지 않지만, 뉴런이 국소장 전위의 주파수와 비약적으로 결합되어 있다는 가설이 있다. 이러한 결합은 신경세포의 흥분성 향상(또는 우울증) 기간과 효과적으로 동기화할 수 있으며, 작용 전위 타이밍의 특정 패턴(흔히 스파이크 타이밍이라고 함)을 허용할 수 있다. 이러한 효과는 다양한 사례에서 입증되고 모델링되었다.[10][11]

메커니즘의 이면에 있는 가설이나 설명은 일정한 기준에 따라 동기화할 수 있는 비선형 동적 시스템(뉴런과 같은 오빌레이터)의 수학적·기본적 속성으로서 「일방향 동기화」, 「마스터-슬레이브」 또는 「단방향 동기화」의 효과라고 할 수 있다. 이러한 현상은 Hrg의 시뮬레이션과 모델링 작업에서 2010년부터 두 HR 뉴런 사이에서 제안되고 예측되었다.[12] 또한 마스터 뉴런에서 슬레이브 뉴런으로 신경 역학의 단방향 동기화 또는 복사/붙여넣기 전달이 다른 방식으로 전시될 수 있음을 보여주었다. 따라서 이 현상은 근본적인 관심뿐만 아니라 간질 치료에서부터 새로운 학습 시스템에까지 적용되었다. 뉴런의 동기화는 원칙적으로 원하지 않는 행동인데, 모든 뉴런이 동기화할 경우 뇌는 정보가 전혀 없거나 단순한 전구가 될 수 있기 때문이다. 따라서 뇌의 신경생물학과 진화는 그러한 동기적 행동을 대규모로 예방하는 방법과 함께 작용했다는 가설이며, 다른 특수한 경우보다는 그것을 사용한다.

예

심장 조직

심장의 전기전도 시스템이 견고하게 구축되었다. 그러나, 새로운 연구는 이전에 받아들여졌던 모델들 중 일부에 도전하고 있다. 심장 세포에서 진피성 결합의 역할은 점점 더 뚜렷해지고 있다. 한 저자는 심지어 "기존에는 전자음극 커플링의 가능한 대안으로 여겨졌지만, ephaptic 커플링은 이후 갭 접합부가 손상되었을 때 전도를 지속하는 것을 돕는 갭 접합부와 병행하여 작동하는 것으로 간주되었다"[13]고까지 말한다. 심장 세포들 간의 세포간 세포간 세포간 상호작용을 통해 전기 시냅스만으로는 설명할 수 없는 공백을 메울 수 있다. 또한 최근에는 심장 내 전기 전도성에 대한 예측에 ephaptic coupling을 통합하는 수학적 모델도 많이 있다.[14] 실험 결과 심장근구 사이의 밀접 접촉 현장에 위치한 나트륨 채널이 풍부한 나노단위가 세포 결합의 기능 단위를 구성하고 이들 나노단위의 선택적 교란으로 인해 부정맥 유발 전도가 느려져 심장 내 세포 결합에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사했다.[15]

간질과 발작

간질 발작은 뇌에 전파가 동기화할 때 발생한다. 전기 신호에서 동기화를 유지하는 데 있어 에냅틱 커플링이 하는 역할을 알고 있으므로, 이러한 유형의 병리학에서 에냅틱 메커니즘을 찾는 것이 타당하다. 한 연구에서는 피질세포가 액손의 촘촘한 패킹으로 인해 세포 내 피질 결합을 관찰하기에 이상적인 장소를 나타낸다고 제안했다. 세포외 공간(국소 전기장에 영향을 미치는)의 변화 효과를 실험한 결과 세포간 공간을 늘리는 것만으로도 화학적 시냅스 조작과 무관한 간질 동기화를 차단할 수 있다는 사실을 발견했다.[16] 이후 이러한 현상을 예측하는 모델이 만들어졌고 뇌에서 간질 동기화를 효과적으로 차단하는 세포외 간극이 더 큰 시나리오를 보여주었다.[17]

뇌의 후각계

후각계의 뉴런은 발광되지 않고 빽빽하게 채워져 있어 흔히 에프랩 커플링의 작은 효과를 더 쉽게 볼 수 있다. 후각 시스템의 뉴런들 사이의 억제가 냄새에 반응하는 신호의 통합을 미세하게 조율하는 데 어떻게 작용하는지를 보여주는 많은 연구들이 있다. 이러한 억제는 전기 전위의 변화만으로도 발생하는 것으로 나타났다.[8] 후각 뉴런 모델에 ephaptic coupling을 추가하면 각 후각 수용체가 하나의 뉴런에 신호를 보내는 "전용선" 모델에 더 많은 지지를 더한다. 발작적 결합에 의한 억제는 냄새에 대한 더 미묘한 인식을 유발하는 신호의 통합을 설명하는 데 도움이 될 것이다.[18]

시냅스

시냅스는 일반적으로 두 개의 뉴런이 매우 가까이 접근하는 곳에서 형성된다. 따라서 시냅스 구획 전체에 걸쳐 Ephaptic 커플링이 발생할 수 있다. 대표적인 예로는 물고기 마우트너 세포,[19] 병아리 담도강글리온,[20] 포유류 소뇌 바구니 시냅스,[21] 그리고 홀드 시냅스(Holded Synapse)의 칼리넥스가 발달한 포유류 등이 있다.[22]

수학적 모형

뉴런에 의해 생성되는 매우 작은 전기장 때문에, 수학적 모델들은 종종 많은 조작을 시험하기 위해 사용된다. 케이블 이론은 신경 과학에서 가장 중요한 수학 방정식 중 하나이다.[23] 캐패시턴스와 저항을 변수로 전류를 계산해 뉴런의 에프틱 커플링에 대한 많은 예측을 가능하게 했다. 그러나 많은 저자들은 신경계의 환경을 보다 정확하게 나타내기 위해 보다 정밀한 모델을 만들기 위해 노력해왔다. 예를 들어, 많은 저자들이 다양한 크기의 심장세포의 고유한 구조와 기하학적 [24]구조를 설명하는 추가 변수를 포함하는 심장조직 모델 또는 3차원 전기투과 모델을 제안했다.[25]

동물 모델

오징어 거대 액손

1978년, 오징어 대축에 대한 기본적인 테스트가 시행되어 진피성 사건의 증거를 찾아내고 있었다. 하나의 액손의 작용 전위가 이웃 액손에 전파될 수 있다는 것을 보여주었다. 전달 수준은 주변 세포에서 작용 전위의 시작에 이르기까지 다양했지만, 모든 경우 생리학적 중요성이 있는 ephaptic 커플링의 함축성이 있다는 것이 명백했다.[7]

쥐척추와 물갈이

한 연구는 신경전달물질 길항제 모두를 사용하여 화학 시냅스를 차단하고 전기 시냅스를 차단하는 갭 접합 차단기를 사용하여 에냅스 결합의 효과를 시험했다. 쥐의 척수, 메둘라에서 태아 뉴런과 관련된 율동적인 전기 방전이 여전히 지속되고 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 기존의 시냅스 없이도 뉴런들 사이의 연결이 여전히 존재하고 신호를 전파하는 작용을 한다는 것을 시사한다. 이러한 발견은 세포 결합이 표준 시냅스와 함께 작용하여 뉴런 네트워크를 통해 신호를 전파하는 모델을 뒷받침한다.[26]

소뇌의 쥐 푸르킨제 세포

ephaptic coupling이 관찰 가능한 생리학적 사건을 담당하는 기능 시스템의 몇 안 되는 알려진 사례 중 하나는 쥐 소뇌의 푸르킨제 세포에 있다.[21] 푸르킨제 섬유의 일부 영역을 캡슐화하는 바구니 세포가 푸르킨제 세포에 억제 효과를 일으킬 수 있다는 것이 이번 연구에서 입증되었다. 이러한 바구니 세포의 발사는 푸르킨제 세포에서보다 더 빠르게 일어나며, 푸르킨제 세포 전체에 전류를 끌어들여, 퍼킨제 세포의 활동을 억제하는 수동적인 초극화 전위를 발생시킨다. 비록 이 억제의 정확한 기능적 역할은 아직 불분명하지만, 에랍 효과가 발화 시간을 제한할 것이기 때문에 푸르킨제 세포에서 동기화하는 효과가 있을 수 있다.

텔레오스트의 마우트너 세포에서도 유사한 에랍 효과가 연구되어 왔다.[27]

회의론

뉴런들 간의 비합성 상호작용에 대한 생각은 19세기부터 존재해 왔지만, 신경과학 분야에서는 역사적으로 회의론이 많았다. 많은 사람들은 뉴런들이 만들어내는 미세한 전기장 자체가 너무 작아서 무시할 수 있다고 믿었다.[18] 에폭 결합 이론을 지지하는 많은 사람들이 화학적 시냅스와 전기적 시냅스를 모두 차단하는 실험을 통해 그 존재를 증명하려고 애쓰고 있지만, 여전히 현장의 일부 반대자들은 주의를 표명하고 있다. 예를 들어 2014년 한 과학자는 "그들의 시뮬레이션과 포엘징의 데이터 사이의 합의는 인상적이지만, 나는 에냅틱 가설을 수용하기 전에 좀 더 확실한 실험 확증이 필요할 것"이라며 에프랩틱 결합에 대한 자신의 회의론을 제시하는 리뷰를 발표했다. [28] 그는 갭 결합의 전하 전파와 진정한 에프에이프틱 결합을 더 구별하기를 원하는데 그의 주의를 기초로 한다. 그것이 진정한 증거의 부족이든, 변화 앞에서 단순히 완고함이든, 현장의 많은 사람들은 여전히 에프에이전트 커플링의 명백한 증거가 있다고 전적으로 확신하지 않는다. 연구가 계속되고 있으며 2018년에는 놀라운 결과가 발표되었다[29][further explanation needed].

참고 항목

참조

  1. ^ Aur D, Jog, MS(2010) 신경전자역학: 뇌 언어 이해, IOS 프레스, doi:10.3233/978-1-60750-473-3-i
  2. ^ Hartline DK (May 2008). "What is myelin?". Neuron Glia Biology. 4 (2): 153–63. doi:10.1017/S1740925X09990263. PMID 19737435.
  3. ^ Wilhelm Biedermann (1898). Electro-physiology. Macmillan. pp. 270–.
  4. ^ a b Katz B, Schmitt OH (February 1940). "Electric interaction between two adjacent nerve fibres". J. Physiol. (Lond.). 97 (4): 471–88. doi:10.1113/jphysiol.1940.sp003823. PMC 1393925. PMID 16995178.
  5. ^ Arvanitaki A (1942). "Effects Evoked in an Axon by the Activity of a Contiguous One". Journal of Neurophysiology. 5 (2): 89–108. doi:10.1152/jn.1942.5.2.89. ISSN 0022-3077.
  6. ^ Jefferys JG (October 1995). "Nonsynaptic modulation of neuronal activity in the brain: electric currents and extracellular ions". Physiol. Rev. 75 (4): 689–723. doi:10.1152/physrev.1995.75.4.689. PMID 7480159.
  7. ^ a b Ramón F, Moore JW (1978). "Ephaptic transmission in squid giant axons". Am. J. Physiol. 234 (5): C162–9. doi:10.1152/ajpcell.1978.234.5.C162. PMID 206154.
  8. ^ a b Van der Goes van Naters W (2013). "Inhibition among olfactory receptor neurons". Front Hum Neurosci. 7: 690. doi:10.3389/fnhum.2013.00690. PMC 3805947. PMID 24167484.
  9. ^ Anastassiou CA, Perin R, Markram H, Koch C (February 2011). "Ephaptic coupling of cortical neurons". Nat. Neurosci. 14 (2): 217–23. doi:10.1038/nn.2727. PMID 21240273. S2CID 7836328. (전체 텍스트로 직접 링크)
  10. ^ Radman T, Su Y, An JH, Parra LC, Bikson M (March 2007). "Spike timing amplifies the effect of electric fields on neurons: implications for endogenous field effects". J. Neurosci. 27 (11): 3030–6. doi:10.1523/JNEUROSCI.0095-07.2007. PMC 6672570. PMID 17360926.
  11. ^ Anastassiou CA, Montgomery SM, Barahona M, Buzsáki G, Koch C (February 2010). "The effect of spatially inhomogeneous extracellular electric fields on neurons". J. Neurosci. 30 (5): 1925–36. doi:10.1523/JNEUROSCI.3635-09.2010. PMC 6633973. PMID 20130201.
  12. ^ Hrg D (April 2013). "Synchronization of two Hindmarsh-Rose neurons with unidirectional coupling". Neural Netw. 40: 73–9. doi:10.1016/j.neunet.2012.12.010. PMID 23454921.
  13. ^ Veeraraghavan R, Gourdie RG, Poelzing S (March 2014). "Mechanisms of cardiac conduction: a history of revisions". Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 306 (5): H619–27. doi:10.1152/ajpheart.00760.2013. PMC 3949060. PMID 24414064.
  14. ^ a b Lin J, Keener JP (2010). "Modeling electrical activity of myocardial cells incorporating the effects of ephaptic coupling". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (49): 20935–40. Bibcode:2010PNAS..10720935L. doi:10.1073/pnas.1010154107. PMC 3000303. PMID 21078961.
  15. ^ Veeraraghavan R, Hoeker GS, Alvarez-Laviada A, Hoagland D, Wan X, King DR, Sanchez-Alonso J, Chen C, Jourdan J, Isom LL, Deschenes I, Smyth JW, Gorelik J, Poelzing S, Gourdie RG (2018). "The adhesion function of the sodium channel beta subunit (β1) contributes to cardiac action potential propagation". eLife. 7. doi:10.7554/eLife.37610. PMC 6122953. PMID 30106376.
  16. ^ Dudek FE, Yasumura T, Rash JE (November 1998). "'Non-synaptic' mechanisms in seizures and epileptogenesis". Cell Biol. Int. 22 (11–12): 793–805. doi:10.1006/cbir.1999.0397. PMID 10873292. S2CID 2092166.
  17. ^ Stacey RG, Hilbert L, Quail T (May 2015). "Computational study of synchrony in fields and microclusters of ephaptically coupled neurons". J. Neurophysiol. 113 (9): 3229–41. doi:10.1152/jn.00546.2014. PMC 4440237. PMID 25673735.
  18. ^ a b Bokil H, Laaris N, Blinder K, Ennis M, Keller A (October 2001). "Ephaptic interactions in the mammalian olfactory system". J. Neurosci. 21 (20): RC173. doi:10.1523/JNEUROSCI.21-20-j0004.2001. PMC 6763860. PMID 11588203.
  19. ^ Faber, Donald S.; Funch, Paul G. (May 1980). "Differential properties of orthodromic and antidromic impulse propagation across the Mauthner cell initial segment". Brain Research. 190 (1): 255–260. doi:10.1016/0006-8993(80)91176-2.
  20. ^ Martin, A. R.; Pilar, G. (1964-07-01). "An analysis of electrical coupling at synapses in the avian ciliary ganglion". The Journal of Physiology. 171 (3): 454–475. doi:10.1113/jphysiol.1964.sp007390. PMC 1368844. PMID 14193934.
  21. ^ a b Blot, Antonin; Barbour, Boris (February 2014). "Ultra-rapid axon-axon ephaptic inhibition of cerebellar Purkinje cells by the pinceau". Nature Neuroscience. 17 (2): 289–295. doi:10.1038/nn.3624. ISSN 1097-6256.
  22. ^ Sierksma, Martijn C.; Borst, J. Gerard G. (2021-10-26). Berry, Hugues (ed.). "Using ephaptic coupling to estimate the synaptic cleft resistivity of the calyx of Held synapse". PLOS Computational Biology. 17 (10): e1009527. doi:10.1371/journal.pcbi.1009527. ISSN 1553-7358. PMC 8570497. PMID 34699519.
  23. ^ Bédard C, Destexhe A (August 2013). "Generalized cable theory for neurons in complex and heterogeneous media". Phys Rev E. 88 (2): 022709. arXiv:1304.5674. Bibcode:2013PhRvE..88b2709B. doi:10.1103/PhysRevE.88.022709. PMID 24032866. S2CID 16729315.
  24. ^ Hand PE, Griffith BE (August 2010). "Adaptive multiscale model for simulating cardiac conduction". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (33): 14603–8. Bibcode:2010PNAS..10714603H. doi:10.1073/pnas.1008443107. PMC 2930419. PMID 20671202.
  25. ^ Mori Y, Fishman GI, Peskin CS (April 2008). "Ephaptic conduction in a cardiac strand model with 3D electrodiffusion". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (17): 6463–8. Bibcode:2008PNAS..105.6463M. doi:10.1073/pnas.0801089105. PMC 2359793. PMID 18434544.
  26. ^ Ren J, Momose-Sato Y, Sato K, Greer JJ (January 2006). "Rhythmic neuronal discharge in the medulla and spinal cord of fetal rats in the absence of synaptic transmission". J. Neurophysiol. 95 (1): 527–34. doi:10.1152/jn.00735.2005. PMID 16148265.
  27. ^ Faber DS, Korn H (July 1989). "Electrical field effects: their relevance in central neural networks". Physiol. Rev. 69 (3): 821–63. doi:10.1152/physrev.1989.69.3.821. PMID 2546168.
  28. ^ Roth BJ (February 2014). "Does ephaptic coupling contribute to propagation in cardiac tissue?". Biophys. J. 106 (4): 774–5. Bibcode:2014BpJ...106..774R. doi:10.1016/j.bpj.2014.01.011. PMC 3944891. PMID 24559978.
  29. ^ Chiang, Chia-Chu; Shivacharan, Rajat S.; Wei, Xile; Gonzalez-Reyes, Luis E.; Durand, Dominique M. (2019). "Slow periodic activity in the longitudinal hippocampal slice can self-propagate non-synaptically by a mechanism consistent with ephaptic coupling". The Journal of Physiology. 597 (1): 249–269. doi:10.1113/JP276904. PMC 6312416. PMID 30295923.