Dendrito
Dendritos (do grego δένδρον déndron, "árvore"), também dendrons, são extensões protoplasmáticas ramificadas de um células nervosas que propagam a estimulação eletroquímica recebida de outras células neurais para o corpo celular, ou soma, do neurônio do qual os dendritos se projetam. A estimulação elétrica é transmitida aos dendritos por neurônios a montante (geralmente por meio de seus axônios) por meio de sinapses localizadas em vários pontos da árvore dendrítica.
Os dendritos desempenham um papel crítico na integração dessas entradas sinápticas e na determinação da extensão em que os potenciais de ação são produzidos pelo neurônio.
Estrutura
Os dendritos são um dos dois tipos de saliências protoplasmáticas que se projetam do corpo celular de um neurônio, sendo o outro tipo um axônio. Os axônios podem ser distinguidos dos dendritos por várias características, incluindo forma, comprimento e função. Os dendritos geralmente diminuem de forma e são mais curtos, enquanto os axônios tendem a manter um raio constante e são relativamente longos. Normalmente, os axônios transmitem sinais eletroquímicos e os dendritos recebem os sinais eletroquímicos, embora alguns tipos de neurônios em certas espécies não tenham axônios e simplesmente transmitam sinais por meio de seus dendritos. Os dendritos fornecem uma área de superfície ampliada para receber sinais dos botões terminais de outros axônios, e o axônio também comumente se divide em sua extremidade oposta em muitos ramos (telodendria), cada um dos quais termina em um terminal nervoso, permitindo que um sinal químico passe simultaneamente para muitas células-alvo.
Normalmente, quando um sinal eletroquímico estimula um neurônio, ele ocorre em um dendrito e causa mudanças no potencial elétrico através da membrana plasmática do neurônio. Essa mudança no potencial de membrana se espalhará passivamente pelo dendrito, mas se tornará mais fraca com a distância sem um potencial de ação. Um potencial de ação propaga a atividade elétrica ao longo da membrana dos dendritos do neurônio para o corpo celular e, em seguida, aferente ao longo do comprimento do axônio até o terminal axônico, onde desencadeia a liberação de neurotransmissores na fenda sináptica. No entanto, as sinapses envolvendo dendritos também podem ser axodendríticas, envolvendo um axônio sinalizando para um dendrito, ou dendrodendríticas, envolvendo sinalização entre dendritos. Uma autapse é uma sinapse na qual o axônio de um neurônio transmite sinais para seus próprios dendritos.
Existem três tipos principais de neurônios; multipolares, bipolares e unipolares. Neurônios multipolares, como o mostrado na imagem, são compostos de um axônio e muitas árvores dendríticas. As células piramidais são neurônios corticais multipolares com corpos celulares em forma de pirâmide e grandes dendritos chamados dendritos apicais que se estendem até a superfície do córtex. Os neurônios bipolares têm um axônio e uma árvore dendrítica em extremidades opostas do corpo celular. Os neurônios unipolares têm uma haste que se estende do corpo celular que se separa em dois ramos, um contendo os dendritos e o outro com os botões terminais. Os dendritos unipolares são usados para detectar estímulos sensoriais, como toque ou temperatura.
Certas classes de dendritos contêm pequenas projeções conhecidas como espinhos dendríticos que aumentam as propriedades receptivas dos dendritos para isolar a especificidade do sinal. O aumento da atividade neural e o estabelecimento de potencialização de longo prazo nas espinhas dendríticas alteram os tamanhos, a forma e a condução. Acredita-se que essa capacidade de crescimento dendrítico desempenhe um papel no aprendizado e na formação da memória. Pode haver até 15.000 espinhos por célula, cada um dos quais serve como um processo pós-sináptico para axônios pré-sinápticos individuais. A ramificação dendrítica pode ser extensa e, em alguns casos, é suficiente para receber até 100.000 entradas para um único neurônio.
História
O termo dendritos foi usado pela primeira vez em 1889 por Wilhelm His para descrever o número de "processos protoplasmáticos" que estavam ligados a uma célula nervosa. O anatomista alemão Otto Friedrich Karl Deiters é geralmente creditado com a descoberta do axônio, distinguindo-o dos dendritos.
Algumas das primeiras gravações intracelulares em um sistema nervoso foram feitas no final da década de 1930 por Kenneth S. Cole e Howard J. Curtis. O suíço Rüdolf Albert von Kölliker e o alemão Robert Remak foram os primeiros a identificar e caracterizar o segmento inicial axonal. Alan Hodgkin e Andrew Huxley também empregaram o axônio gigante da lula (1939) e em 1952 obtiveram uma descrição quantitativa completa da base iônica do potencial de ação, levando à formulação do modelo Hodgkin-Huxley. Hodgkin e Huxley receberam em conjunto o Prêmio Nobel por este trabalho em 1963. As fórmulas detalhando a condutância axonal foram estendidas aos vertebrados nas equações de Frankenhaeuser-Huxley. Louis-Antoine Ranvier foi o primeiro a descrever as lacunas ou nós encontrados nos axônios e, por essa contribuição, essas características axonais são agora comumente chamadas de Nodos de Ranvier. Santiago Ramón y Cajal, um anatomista espanhol, propôs que os axônios eram os componentes de saída dos neurônios. Ele também propôs que os neurônios eram células discretas que se comunicavam entre si por meio de junções especializadas, ou espaços, entre as células, agora conhecidas como sinapses. Ramón y Cajal aprimorou um processo de coloração de prata conhecido como método de Golgi, desenvolvido por seu rival, Camillo Golgi.
Desenvolvimento de dendritos
Durante o desenvolvimento dos dendritos, vários fatores podem influenciar a diferenciação. Estes incluem a modulação da entrada sensorial, poluentes ambientais, temperatura corporal e uso de drogas. Por exemplo, ratos criados em ambientes escuros apresentaram um número reduzido de espinhos nas células piramidais localizadas no córtex visual primário e uma mudança marcante na distribuição da ramificação dendrítica nas células estreladas da camada 4. Experimentos feitos in vitro e in vivo mostraram que a presença de aferentes e a atividade de entrada per se podem modular os padrões nos quais os dendritos se diferenciam.
Pouco se sabe sobre o processo pelo qual os dendritos se orientam in vivo e são compelidos a criar o intrincado padrão de ramificação exclusivo de cada classe neuronal específica. Uma teoria sobre o mecanismo de desenvolvimento da árvore dendrítica é a hipótese sinaptotrópica. A hipótese sinaptotrópica propõe que a entrada de uma célula pré-sináptica para uma pós-sináptica (e a maturação das entradas sinápticas excitatórias) eventualmente pode mudar o curso da formação de sinapses nas árvores dendríticas e axonais.
Essa formação de sinapse é necessária para o desenvolvimento da estrutura neuronal no cérebro funcional. Um equilíbrio entre os custos metabólicos da elaboração dendrítica e a necessidade de cobrir o campo receptivo presumivelmente determina o tamanho e a forma dos dendritos. Uma matriz complexa de pistas extracelulares e intracelulares modula o desenvolvimento de dendritos, incluindo fatores de transcrição, interações receptor-ligante, várias vias de sinalização, maquinaria translacional local, elementos do citoesqueleto, postos avançados de Golgi e endossomos. Estes contribuem para a organização dos dendritos em corpos celulares individuais e a colocação desses dendritos no circuito neuronal. Por exemplo, foi demonstrado que a proteína 1 de ligação do código postal de β-actina (ZBP1) contribui para a ramificação dendrítica adequada.
Outros fatores de transcrição importantes envolvidos na morfologia dos dendritos incluem CUT, Abrupt, Collier, Spineless, ACJ6/drifter, CREST, NEUROD1, CREB, NEUROG2 etc. Proteínas secretadas e receptores de superfície celular incluem neurotrofinas e receptores de tirosina quinase, BMP7, Wnt/desgrenhado, EPHB 1–3, Semaphorin/plexin-neuropilin, slit-robo, netrin-frazzled, reelin. Rac, CDC42 e RhoA atuam como reguladores do citoesqueleto e a proteína motora inclui KIF5, dineína, LIS1. Importantes vias secretórias e endocíticas que controlam o desenvolvimento dendrítico incluem DAR3 /SAR1, DAR2/Sec23, DAR6/Rab1 etc. organização de dendritos provenientes de diferentes neurônios.
Tipos de padrões dendríticos
Arborização dendrítica, também conhecida como ramificação dendrítica, é um processo biológico de várias etapas pelo qual os neurônios formam novas árvores e ramificações dendríticas para criar novas sinapses. Os dendritos em muitos organismos assumem diferentes padrões morfológicos de ramificação. A morfologia dos dendritos, como densidade de ramificação e padrões de agrupamento, está altamente correlacionada com a função do neurônio. A malformação de dendritos também está fortemente correlacionada com o comprometimento da função do sistema nervoso.
As morfologias de ramificação podem assumir uma estrutura adendrítica (não possuindo uma estrutura ramificada ou não semelhante a uma árvore) ou uma estrutura de radiação semelhante a uma árvore. Padrões de arborização em forma de árvore podem ser fusos (onde dois dendritos irradiam de pólos opostos de um corpo celular com poucos ramos, veja neurônios bipolares), esféricos (onde os dendritos irradiam em uma parte ou em todas as direções de um corpo celular, veja células granulares cerebelares), laminar (onde os dendritos podem irradiar planarmente, deslocados do corpo celular por uma ou mais hastes, ou multiplanarmente, veja células horizontais da retina, células ganglionares da retina, células amácrinas da retina, respectivamente), cilíndrica (onde os dendritos irradiam em todas as direções em um cilindro, em forma de disco, veja neurônios pálidos), cônico (os dendritos irradiam como um cone para longe do corpo celular, veja células piramidais) ou em leque (onde os dendritos irradiam como um leque plano, veja células de purkinje).
Propriedades elétricas
A estrutura e ramificação dos dendritos de um neurônio, bem como a disponibilidade e variação da condutância iônica dependente de voltagem, influencia fortemente como o neurônio integra a entrada de outros neurônios. Essa integração é tanto temporal, envolvendo a soma de estímulos que chegam em rápida sucessão, quanto espacial, envolvendo a agregação de entradas excitatórias e inibitórias de ramificações separadas.
Antigamente, pensava-se que os dendritos apenas transmitiam estimulação elétrica passivamente. Essa transmissão passiva significa que as mudanças de voltagem medidas no corpo celular são o resultado da ativação de sinapses distais que propagam o sinal elétrico em direção ao corpo celular sem o auxílio de canais iônicos dependentes de voltagem. A teoria do cabo passivo descreve como as mudanças de tensão em um determinado local em um dendrito transmitem esse sinal elétrico por meio de um sistema de segmentos dendríticos convergentes de diferentes diâmetros, comprimentos e propriedades elétricas. Com base na teoria do cabo passivo, pode-se rastrear como as mudanças na morfologia dendrítica de um neurônio afetam a voltagem da membrana no corpo celular e, portanto, como a variação nas arquiteturas dendríticas afeta as características gerais de saída do neurônio.
Sinais eletroquímicos são propagados por potenciais de ação que utilizam canais iônicos dependentes de voltagem intermembrana para transportar íons sódio, íons cálcio e íons potássio. Cada espécie iônica tem seu próprio canal de proteína correspondente localizado na bicamada lipídica da membrana celular. A membrana celular dos neurônios cobre os axônios, o corpo celular, os dendritos, etc. Os canais de proteína podem diferir entre as espécies químicas na quantidade de voltagem de ativação necessária e na duração da ativação.
Potenciais de ação em células animais são gerados por canais iônicos controlados por sódio ou cálcio na membrana plasmática. Esses canais são fechados quando o potencial de membrana está próximo ou no potencial de repouso da célula. Os canais começarão a se abrir se o potencial de membrana aumentar, permitindo que os íons de sódio ou cálcio fluam para dentro da célula. À medida que mais íons entram na célula, o potencial de membrana continua a aumentar. O processo continua até que todos os canais iônicos estejam abertos, causando um rápido aumento no potencial de membrana que então desencadeia a diminuição do potencial de membrana. A despolarização é causada pelo fechamento dos canais iônicos que impedem que os íons de sódio entrem no neurônio e sejam ativamente transportados para fora da célula. Os canais de potássio são então ativados e há um fluxo externo de íons de potássio, retornando o gradiente eletroquímico ao potencial de repouso. Após a ocorrência de um potencial de ação, ocorre um desvio transitório negativo, denominado pós-hiperpolarização ou período refratário, devido a correntes adicionais de potássio. Este é o mecanismo que impede que um potencial de ação viaje de volta pelo caminho que veio.
Outra característica importante dos dendritos, dotada por sua condutância ativa controlada por voltagem, é sua capacidade de enviar potenciais de ação de volta ao eixo dendrítico. Conhecidos como potenciais de ação de retropropagação, esses sinais despolarizam o eixo dendrítico e fornecem um componente crucial para a modulação da sinapse e potencialização de longo prazo. Além disso, um trem de potenciais de ação de retropropagação gerados artificialmente no soma pode induzir um potencial de ação de cálcio (um pico dendrítico) na zona de iniciação dendrítica em certos tipos de neurônios.
Plasticidade
Os próprios dendritos parecem ser capazes de mudanças plásticas durante a vida adulta de animais, incluindo invertebrados. Os dendritos neuronais têm vários compartimentos conhecidos como unidades funcionais que são capazes de calcular os estímulos recebidos. Essas unidades funcionais estão envolvidas no processamento de entrada e são compostas de subdomínios de dendritos, como espinhos, ramificações ou agrupamentos de ramificações. Portanto, a plasticidade que leva a mudanças na estrutura dendrítica afetará a comunicação e o processamento na célula. Durante o desenvolvimento, a morfologia dos dendritos é moldada por programas intrínsecos dentro do genoma da célula e fatores extrínsecos, como sinais de outras células. Mas na vida adulta, os sinais extrínsecos tornam-se mais influentes e causam mudanças mais significativas na estrutura dos dendritos em comparação com os sinais intrínsecos durante o desenvolvimento. Nas fêmeas, a estrutura dendrítica pode mudar como resultado de condições fisiológicas induzidas por hormônios durante períodos como gravidez, lactação e após o ciclo estral. Isso é particularmente visível nas células piramidais da região CA1 do hipocampo, onde a densidade dos dendritos pode variar até 30%.
Observações experimentais recentes sugerem que a adaptação é realizada nas árvores dendríticas neuronais, onde a escala de tempo de adaptação foi observada em apenas alguns segundos. Certas arquiteturas de aprendizado de máquina baseadas em árvores dendríticas demonstraram simplificar o algoritmo de aprendizado sem afetar o desempenho.