Μελέτη της συναπτογενέσεως του ακουστικού φλοιού in vitro άνευ και κατόπιν ηλεκτρικού ερεθισμού ανάλογου προς τα ηλεκτρικά δυναμικά ενέργειας του κοχλιακού νεύρου

Abstract

The synaptogenesis and the neuronal interactions of the rat's acoustic cortex were studied in explants cultured in vitro, exposed to a continuous sound of a certain frequency. The morphological findings were correlated morphologically with explants of the same area of the cortex from the same animals cultured in vitro under usual conditions, unexposed to any acoustic stimuli, used therefore as normal controls. All the explants which were exposed to continuous sound demonstrated: a) Increased synaptogenesis of all kinds of synaptic contacts. Large number of axodendritic, axosomatic, axoaxonic and dendrodendritic synapses was seen in all the specimens exposed to acoustic stimuli. b) Most of the synapses of the explants exposed to continuous sound demonstrated a marked polymorphism of the synaptic contacts between the presynaptic terminals and the postsynaptic dendritic spines. Very frequently, large number of presynaptic terminals developed synapses on the postsynaptic surfaces of the same spine or the same synaptic profile. It was a frequent finding also the presence of multiple spinules inside large presynaptic terminals. c) The explants exposed to a continuous sound demonstrated an increased myelinogenesis. Some atypical myelin sheath figures were also seen, such as common myelin sheath around two or three axons, myelination around cell bodies, abnormalities of the internal mesaxon, dilatation of the Smidt-Landermann incisures and increase of the distance between the interperiod lines. d) Large number of astrocytic sheaths around cell bodies, dendrites and the initial part of axons were seen in the explants which were exposed to acoustic stimuli. Most of the astrocytic sheaths were cellular processes of protoplasmic astrocytes which intervened in the neuronal circuits. e) The explants which were exposed to continuous sound showed large number of growth cones in all the types of neurons, especially in the large polyhedral ones. Most of the cones were surrounded by astrocytic sheath, though some of them were free in the neuropial space. f) The most impressive finding in the exposed explants to continuous sound was the tremendous number of the dendritic spines on the primary, secondary and tertiary dendritic branches of all the types of neurons some of the spines remained unattached embedded in the some of the astrocytes, showing the typical postsynaptic differentiation of the plasma membranes. In conclusion, the above described morphological findings support the hypothesis that the neuronal circuits of the specific senso-sensorial areas of the cerebral cortex are sensitive to the specific relevant exterior stimuli, having the preprogrammed tendency for developing new synaptic contacts under the influence of a continuous stimulus which normally had to be analyzed by a relevant sensorial organ. The extensive synaptogenesis in vitro in the explants exposed to a continuous stimulus emphasized also the plasticity of the neuronal circuits of the cerebral cortex and the multipotential character of the neuronal interactions.

Μελετήθηκε η ανάπτυξη ακουστικού φλοιού του επίμυος in vitro υπό το κράτος σταθερής συχνότητας ακουστικού ερεθίσματος το οποίο ασκούνταν συνεχώς εντός του περιβάλλοντος της ανάπτυξης των μοσχευμάτων του καλλιεργούμενου ιστού. Τα μοσχεύματα τόσο του μάρτυρα, όσο και του υπό εξέταση ακουστικού φλοιού αναπτύχθηκαν επί 4 εβδομάδες εντός συνήθους καλλιεργητικού υποστρώματος, στη συνέχεια και τα δύο μελετήθηκαν υπό το οπτικό μικροσκόπιο με την αντίθεση των φάσεων του φωτός και τελικά μονιμοποιήθηκαν και μελετήθηκαν υπό το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Παρατηρήθηκαν στις καλλιέργειες οι οποίες εξετέθησαν στο συνεχές ακουστικό ερέθισμα τα ακόλουθα: 1) Υπήρξε μεγάλη ανάπτυξη συνάψεων μεταξύ νευραξόνων και δενδριτών, νευραξόνων και κυτταρικών σωμάτων, νευραξόνων μεταξύ τους και δενδριτών μεταξύ τους. 2) Υπήρξε μέγιστη πολυμορφία ως προς τις αναπτυσσόμενες συνάψεις οι οποίες εμφάνιζαν πολυάριθμες συναπτικές σχέσεις στην επιφάνεια της ίδιας άκανθας ή του ίδιου δενδριτικού πέρατος. Εντυπωσιακή υπήρξε η μεγάλη συρροή προσυναπτικών περάτων γύρω από ένα μετασυναπτικό πέρας, καθώς επίσης και οι πολυάριθμες αναπτύξεις ακανθιδίων εντός των πλαισίων του ίδιου προσυναπτικού πέρατος. 3) Η μυελινογένεση υπήρξε καταφανώς μεγαλύτερη στους νευρωνικούς σχηματισμούς οι οποίοι εξετέθησαν υπό το κράτος του συνεχούς ακουστικού ερεθίσματος και παρατηρήθηκαν εδώ τόσο άτυπες μορφές μυελινογένεσης, όπως είναι η άτυπη κατανομή των πεταλίων της μυελίνης γύρω από τον αξονικό κύλινδρο ή η περιβολή πολλών αξονικών κυλίνδρων από κοινό έλυτρο μυελίνης, όσο επίσης και τυπικές μορφές μυελινογένεσης μη διαφέρουσες από τις παρατηρούμενες in vivo. Αυτό δηλώνει ότι η ανάπτυξη του ελύτρου της μυελίνης και η κινητοποίηση των ολιγοδενδροκυττάρων και των αστροκυττάρων στη μυελινογένεση δεν αποτελούν μια σταθερώς προπρογραμματισμένη δυνατότητα του νευρικού ιστού, αλλά εξαρτώνται και από τα παρεχόμενα ερεθίσματα και αποτελούν έκφραση της λειτουργικότητας ή των λειτουργικών δυνατοτήτων και προϋποθέσεων του νευρικού ιστού. 4) Αστροκυτταρικά έλυτρα παρατηρήθηκαν σε έκταση στις καλλιέργειες οι οποίες υποβλήθηκαν στο συνεχές ακουστικό ερέθισμα. Τα αστροκυτταρικά αυτά έλυτρα περιέβαλλαν τόσο τους δενδρίτες, όσο και τα ακάλυπτα από μυελίνη αρχικά εκφυτικά τμήματα των νευραξόνων και συνίσταντο κατ' ουσία από προσεκβολές πρωτοπλασματικών αστροκυττάρων τα οποία συνέρρεαν και συμπλέκονταν με τα αναπτυσσόμενα νευρωνικά κυκλώματα. 5) Πολυάριθμοι εκφυτικοί κώνοι δενδριτών παρατηρήθηκαν στους νευρώνες οι οποίοι υποβλήθηκαν στη συνεχή επίδραση του ακουστικού ερεθίσματος και τα πολυάριθμα αυτά στοιχεία εκφύονταν απ' όλες τις πλευρές του κυτταρικού σώματος, κυρίως των ευμεγεθών πολυεδρικών νευρώνων του ακουστικού φλοιού, και φέρονταν άλλοτε ελευθέρως εντός του διάμεσου νευροπιληματικού χώρου και άλλοτε περιβάλλονταν γρήγορα από νευρογλοιακό έλυτρο. 6) Οι καλλιέργειες οι οποίες υφίσταντο την επίδραση του συνεχούς ακουστικού ερεθίσματος παρουσίασαν μεγάλη ανάπτυξη δενδριτικών ακανθών, οι οποίες παρέμειναν χωρίς συναπτική σχέση με τα προσυναπτικά πέρατα (unattached spines), και άλλες από αυτές φέρονταν στον νευροπιληματικό χώρο, οι περισσότερες όμως διεισέδυαν εντός του κυτταρικού σώματος πρωτοπλασματικών αστροκυττάρων, εντός του οποίου υφίσταντο τη μετασυναπτικού τύπου διαφοροποίηση, δηλαδή τη χαρακτηριστική πάχυνση της κυτταροπλασματικής μεμβράνης τους και την εναπόθεση στην έσω επιφάνεια αυτής λεπτών ινιδίων ακτίνης. Το γεγονός αυτό δηλώνει ότι υπό το κράτος ενός εξωγενούς ερεθίσματος συμβατού προς τη λειτουργικότητα του νευρωνικού κυκλώματος γίνεται ιδιαιτέρως ευαίσθητος ο νευρώνας στην ανάπτυξη νέων συνδέσεων και νέων συνάψεων, με αποτέλεσμα να ενισχύεται η προπρογραμματισμένη τάση αυτή στην ανάπτυξη δενδριτών και επιφανειών ικανών να συμβάλλουν στη συναπτική σχέση με τα προσυναπτικά πέρατα των παρακείμενων νευρωνικών στοιχείων. Και είναι πολύ εντυπωσιακό το γεγονός ότι η μετασυναπτική αυτή διαφοροποίηση πραγματοποιείται, όταν το νευρικό κύτταρο περιβάλλεται από νευρογλοιακό έλυτρο και όταν η δενδριτική άκανθα διεισδύει εντός του σώματος των πρωτοπλασματικών αστροκυττάρων. Αυτό δίνει ιδιαίτερη βαρύτητα στη συμβολή του αστροκυττάρου στην ωρίμανση του νευρωνικού σχηματισμού και στην προετοιμασία του για την ανάπτυξη συναπτικών σχέσεων και για την οργάνωση νέων νευρωνικών κυκλωμάτων. Τελικά το συνεχές ακουστικό ερέθισμα ασκούμενο επί 4 εβδομάδες σε νευρωνικό πληθυσμό προερχόμενο από την ακουστική περιοχή του εγκεφαλικού φλοιού, καλλιεργούμενο υπό τις συνήθεις συνθήκες νευρωνικής καλλιέργειας, συμβάλλει στη μεγαλύτερη ανάπτυξη συναπτικών σχέσεων μεταξύ των νευρώνων, στην πληρέστερη ωρίμανση των νευρωνικών στοιχείων, στην ευρύτερη κινητοποίηση των νευρογλοιακών στοιχείων και στην ταχύτερη μυελινογένεση γύρω από τους αξονικούς κυλίνδρους.