Celule non-neuronale

Acest articol face parte din subiectul de cercetare

Microglia fără odihnă: roluri fiziologice în creierul sănătos și implicații patologice Vizualizați toate cele 16 articole

morfologiei

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Revizuieste articolul

  • 1 Centrul de cercetare în sisteme complexe, Școala de sănătate comunitară, Universitatea Charles Sturt, Albury, NSW, Australia
  • 2 Institutul de Biofizică, Universitatea de Medicină din Graz, Graz, Austria
  • 3 Școala clinică rurală, Universitatea din New South Wales, Sydney, NSW, Australia

Conexiunea Form-Function

Microglia, de dimensiuni mici, dar semnificativă, ocupă un spațiu vizibil în toate sistemele nervoase. Acestea se împletesc intim și abundent cu neuronii în general mult mai mari la un raport despre care se poate spune că mediază unul la unu în țesutul uman normal al adulților, dar depinde de când și de unde în sistemul nervos central (SNC) este prelevată proba de țesut. Microglia spațială tridimensională ocupă modificări constante pe măsură ce își mișcă procesele celulare și migrează, dar dacă este prinsă în mișcare, microglia poate fi văzută într-o varietate extraordinară de morfologii complexe și complexe (Dowding și colab., 1991; Dowding și Scholes, 1993; Sonetti și colab., 1994; Magazine și colab., 1996; Dobrenis, 1998; Perry, 1998; Alliot și colab., 1999; Bernhardi și Nicholls, 1999; McMenamin, 1999; Streit și colab., 1999; Navascues și colab., 2000).

Așa cum ilustrează Figura 1, celulele microgliene individuale pot circula reversibil de la o formă simplă rotunjită la o formă ramificată complexă. În orice moment, acestea ar putea fi găsite ca pete rotunde până la amorfe, cu oricare dintr-o varietate de caracteristici interesante ale membranei, cum ar fi pseudopodii și volane. Sau la cealaltă extremă, pot adopta o formă cu un soma relativ foarte mic și cu procese primare lungi, întortocheate care pot fi caracterizate ca „asemănătoare unui păianjen”, „îmbinate” sau „spinoase” cu ramuri secundare și terțiare înzestrate cu wispy se încheie sau alte ramuri (Kreutzberg, 1995; Dailey și Waite, 1999; Ohsawa și colab., 2000; Streit, 2000; Bohatschek și colab., 2001; Nimmerjahn și colab., 2005; Tremblay și colab., 2011; Liu și colab. al., 2012).

Figura 1. Morfologia microglială în SNC uman adult. Microglia sunt celule morfologice și funcționale dinamice capabile să schimbe forma de la procesele extrem de ramificate la cele complet lipsite. Tranziția poate fi foarte rapidă sau microglia poate rămâne într-o formă ani de zile (Colton și colab., 2000). Formele ilustrate aici reprezintă instantanee ale unei transformări care este reversibilă în fiecare punct, cu variații în cadrul fiecărei forme. Cifrele nu sunt prezentate la scară; acestea sunt ajustate pentru a compara detaliile.

Pe baza acestei morfologii extrem de flexibile, neuropatologii au creat un model care leagă denumirile formelor microgliale de funcția microglială. În SNC matur, microglia în formele lor neraifiate și intermediare (care se deplasează în sus din partea de jos a figurii 1) sunt în general considerate a fi „activate”, „reactive” sau „intermediare”. Acestea sunt activate pentru un rol imunoinflamator care include deplasarea la locurile de vătămare unde pot recruta sau activa alte celule, prolifera, fagocita, elimina resturile și pot contribui la vindecare și reorganizare corticală. Ele pot exprima, de asemenea, un profil imunoinflamator tipic, cum ar fi CD68 reglat în sus și proteine ​​complexe majore de histocompatibilitate II (MHC-II) (Streit și Kreutzberg, 1987). Văzută într-o farfurie, pe un tobogan sau într-un organism viu, microglia poate să apară, așadar, grăsuță, trăgând și ridicând corpuri corpulente, sau, probabil, scoțând la margini. Acestea pot ieși rapid în interiorul și în afară câteva sau multe procese puternice și pot fi simultan, puțin mai încet, înfășurându-se în arborele lor mai fin. În acest rol, corpurile celulare microgliale pot fi alungite, asemănătoare cu tijele sau toroase, cu proiecții de ramificare umflate, sau microglia poate fi figuri mai radiale, cu vârfuri (Streit, 2000; Soltys și colab., 2001; Stence și colab., 2001) .

În formele lor complet ramificate (în figura 1) în SNC normal matur, microglia este implicată activ în roluri fiziologice esențiale. Sunt santinele vigilente și „parteneri sinaptici”, care veghează și asigură funcționarea corectă a neuronilor, furnizând substanțe neurotrofice (Nakajima și Shinichi, 2002), acționând și reglând neurotransmițătorii și hormonii (Garcia-Segura și colab., 1996), mediază durerea (Watkins și colab., 2001; Inoue, 2006) și răspunsurile la stresul psihologic (Hinwood și colab., 2012), protejând neuronii de daune (Vinet și colab., 2012) și răspunzând la schimbările din micromediul (de exemplu, întinderea )., depolarizare, stare glicemică etc.) (Eder și colab., 1998; Lyons și Kettenmann, 1998; Polito și colab., 2011; Tremblay și colab., 2011; Won și colab., 2012).

Pe măsură ce își îndeplinesc îndatoririle multiple, celulele ramificate se schimbă și se mișcă în mai multe moduri pe mai multe scale de timp. Arborele lor se schimbă în timp ce se răsucesc și se agită, extind și retrag procesele fine și grosiere, tind să sinapseze, să migreze și să fagociteze (Pow și colab., 1989; Dailey și Waite, 1999; Lee și colab., 2008; Marker și colab. ., 2010; Tremblay și colab., 2011). Microglia a fost observată mișcându-și procesele „exuberant”, mai mult la capete decât în ​​apropierea soma, în direcții aparent aleatorii, dar într-un volum, astfel încât să mențină o simetrie de bază consistentă și dimensiunea generală a arborelui. S-ar putea să înceapă să se miște mai rapid și să devină mai polarizați pe măsură ce își modifică și extind procesele către un loc de rănire și pot migra spre sit în timp ce sunt ramificați. Într-adevăr, ei pot continua să-și marcheze postarea și să trimită o replică dacă simt nevoia să tindă la ceva la distanță (Radewicz și colab., 2000; Aarum și colab., 2003; Nimmerjahn și colab., 2005; Lee și colab. al., 2008; Wake și colab., 2009; Perego și colab., 2011).

Cunoașterea acestui model este un instrument puternic în setul de instrumente al neurologului. Aceasta sugerează că, pe baza impresiilor vizuale ale morfologiei microgliale locale, se poate deduce multe despre ceea ce se întâmplă într-o anumită locație. Astfel de impresii vizuale informează de fapt deciziile patologilor și cercetătorilor (Streit, 2000). Modelul este deosebit de puternic, deoarece microglia joacă un rol integral în SNC în curs de dezvoltare și maturitate, în timpul stărilor patologice și normale, afectând structura, plasticitatea și funcția în practic toate circumstanțele. S-a descoperit că Microglia mediază efectele și răspunde la o serie de substanțe la fel de diverse precum minociclina (Hinwood și colab., 2012), etanolul (Crews și colab., 2006; Kane și colab., 2011; Zhao și colab., 2012 ).), antiinflamatoare nesteroidiene (Varvel și colab., 2009), opioide (Wen și colab., 2011), canabinoizi (Toth și colab., 2010) și neuroleptice (Yrjanheikki și colab., 1998; Busse și colab. ., 2012) și sunt văzute din ce în ce mai mult ca potențiale ținte pentru intervenția terapeutică și monitorizarea evenimentelor din sistemul nervos (Billiards și colab., 2006; Liu și colab., 2012; Pascual și colab., 2012).

O metodă care poate contribui la această nevoie este analiza fractală. Astfel, restul acestei revizuiri comentează despre modul în care analiza fractală ajută la îmbunătățirea cantitativă a modelelor de formă și funcționare microglială. Pentru a ajuta cititorul să interpreteze studiile de analiză fractală ale microgliei, oferim o scurtă prezentare metodologică. De asemenea, discutăm despre modul în care analiza fractală a fost utilizată pentru morfologia microglială cantitativă și modul în care ar putea genera ipoteze despre conexiunea formă-funcție în viitor. Ne concentrăm pe un anumit tip de analiză, numărare cutie, care a fost folosit pentru a cuantifica nu numai diferențele morfologice brute, ci și nuanțele subtile ale morfologiei microgliale care pot fi importante pentru înțelegerea SNC normal și patologic.

Analiza fractală

Analiza fractală este un grup de metode pentru cuantificarea tiparelor dificil de descris (Jelinek și Fernandez, 1998). Rezumăm aici doar câteva dintre elementele sale, cele necesare pentru a înțelege rezultatele discutate în această revizuire. Numărarea casetelor și dimensiunea numărării casetelor sunt exemplul nostru din trei motive. În primul rând, numărarea cutiilor este extrem de sensibilă la caracteristicile morfologice care sunt analoage caracteristicilor structurale cheie ale microgliei (adică, modelele de ramificare și contururile, respectiv analoage proceselor ramificate și detaliilor membranei) (Losa și colab., 1997). În al doilea rând, sa dovedit a avea succes pentru analiza microgliei. Și în al treilea rând, software-ul de numărare a cutiilor a devenit din ce în ce mai accesibil pentru comunitatea de neuroștiințe (Karperien, 2001a; Baksi și Fidler, 2012). Cititorul ar trebui să fie conștient de faptul că metodele alternative fractale, cum ar fi metoda de dilatare și metoda razei de masă au fost utilizate pentru a caracteriza morfologia microglială (Soltys și colab., 2001; Orlowski și colab., 2003; Varvel și colab., 2009) și că altele se pot dovedi utile (de exemplu, dimensiunea fractală locală conectată) (Karperien, 2001a; Losa ). și colab., 2005; Karperien și colab., 2008b) dar nu au fost încă încercate.

Cititorul ar trebui să fie, de asemenea, conștient de faptul că există o lipsă de date privind analiza fractală a microgliei în general. Pe măsură ce metodele computerizate de analiză a imaginii au crescut în ultimele decenii, analiza fractală în neuroștiințe a crescut pentru a include numeroase aplicații, de la clasificarea celulelor neuronale la evaluarea retinopatiei diabetice (Smith și colab., 1996; Fernandez și Jelinek, 2001; Karperien și colab., 2008b; Jelinek și colab., 2010; Kim și colab., 2011). Pe cât de substanțial este acest corp de literatură, acesta conține doar un număr foarte mic de studii care raportează analiza fractală a microgliei, multe publicate de laboratorul nostru folosind FracLac pentru ImageJ. FracLac este un software open-source disponibil gratuit comunității bioștiinței prin intermediul site-ului ImageJ de la National Institutes of Health. A fost dezvoltat de laboratorul nostru pentru a controla și automatiza analiza fractală a microgliei și pentru a oferi măsuri complementare ale morfologiei celulare (Karperien, 2001a; Mancardi și colab., 2008; Kam și colab., 2009; Sant și Fairgrieve, 2012; Schneider și colab., 2012).

Dimensiuni fractale

În centrul analizei fractale se află conceptul de a dimensiune fractală (DF). Un DF este un număr care descrie modul în care detaliile dintr-un model se modifică pe măsură ce modelul este examinat la diferite scale. Această scalare este, în general, denumită complexitate. Cu cât dimensiunea este mai mare, cu atât tiparul este mai complex. Acest lucru nu înseamnă că ne-am aștepta să putem caracteriza microglia de-a lungul unui spectru infinit; mai degrabă, dintr-o perspectivă practică, se poate aștepta, în general, că pentru modelele bidimensionale, DF-urile calculate vor cădea în general între 1 și 2, iar pentru cele tridimensionale, între 2 și 3.

Găsirea unui DF pentru o structură este similară cu mărirea cu un microscop pentru a examina țesutul la măriri diferite, dar cu o diferență importantă. În mod normal, pe măsură ce se apropie, se vede la o rezoluție mai fină elementele de construcție mai fundamentale ale unei structuri; dar pentru un model fractal, cu fiecare creștere a măririi, observatorul găsește structura originală compusă din părți identice cu el însuși, doar mai mici. Acest similitudinea de sine iese în evidență pentru că este detaliat, spre deosebire de similitudinea neinteresantă din curba unui cerc simplu, de exemplu, care are o DF teoretică de 1,0 și ar fi văzută pentru totdeauna că este alcătuită doar din curbe mai mici. Mai mult, numărul de piese noi dintr-o structură se modifică în mod consecvent cu scara, astfel încât există un raport previzibil dintre piesele noi la scară, care este baza matematică a DF. Așa cum se arată în ecuațiile 1 și 2, DF este exponentul la care scara (ε) este ridicată pentru a obține numărul de piese noi (Nε):

Figura 2A ilustrează auto-similitudinea într-un exemplu de model fractal cunoscut sub numele de curbă fractală quadrică. O aproximare practică (D) a unui DF poate fi estimat dintr-un eșantion de informații bazat pe limită pe măsură ce scara scade: