Хоча довгий час вважалось, що потенціал дії (ПД) може генеруватись переважно на низькопороговому початковому сегменті нейронного аксона (AIS), протягом останніх десятиліть було накопичено багато даних на користь того, що потенціали дії також виникають в дендритах. Такий дендритний ПД, для того щоб відрізнити його від аксонного потенціалу дії, часто називають «дендритний спайк».

Дендритні спайки локально генеруються в дендритах багатьох типів нейронів ЦНС шляхом фокальної стимуляції дендриту. Загалом, не зважаючи на їх дещо змішану природу, можна чітко розрізнити три головні типи дендритних спайків, відповідно до класу активних провідників, що лежать в їх основі: Na+, Ca2+ (або плато-спайки) та N-метил-D-аспартат (NMDA) спайки. Хоча різні електричні властивості, типи каналів та різноманіття дендритної морфології породжують відмінні дендритні ПД, з різним часом наростання та тривалістю, дендритні спайки володіють харакатерними для класичних (аксонних) ПД'ї властивостями: вони мають поріг збудження, рефракторний період і активно розповсюджуються на певну відстань.

Дендритний спайк є нелінійним феноменом, який здатен подолати вплив інших синапсів і запобігти інтеграції додаткових вхідних синаптичних імпульсів, постаючи як результат локальної сумації синхронізованих кластерів вхідних сигналів до дендриту. Дендритні спайки зазвичай є значно повільнішими, аніж аксонні ПД і генеруються або ізольовано від соми (локальні спайки), або збігаючись із аксонними потенціалами дії зворотного поширення. Якщо дендритний спайк є достатньо сильним, він може поширитись до тіла нейрону (соми) та призвести до генерації сомато-аксонного потенціалу дії, чи навіть пачок (bursts) потенціалів дії (кілька спайків).

Існування дендритних спайків суттєво збільшує репертуар обчислювальних функцій нейрону, уможливлюючи функціональну асоціацію локальних вхідних сигналів; підсилення віддалених синаптичних імпульсів, що в протилежному випадку не могли б мати вплив на соматичний потенціал; впливати на стимуляцію синаптичної пластичності.

Історія

Хоча в 1950-х та ранніх 1960-х панівним було уявлення, що дендрити є пасивними відростками нейронів, які просто інтегрують збуджувальні та інгібуючі імпульси, накопичувались поодинокі свідчення, що в дендритах також може поширюватись потенціал дії. Вперше його зафіксував у 1951 році видатний китайський нейрофізіолог , який тоді працював в Єльському університеті. В опублікованій того року статті він повідомив про те, що дендрити можуть збуджуватись під впливом електричної стимуляції і здатні генерувати потенціали дії, які відрізняються від аксонних тим, що не є «все-або-нічого» потенціалами. У наступних восьми своїх публікаціях він підтвердив свої знахідки, втім більшість нейробіологів поставились до них критично, надалі вважаючи, що тільки аксони є єдиним місцем генерації потенціалу дії.

Невдовзі після Чанга, в результаті реєстрації популяційних відповідей в полі CA1 нейронів гіпокампа, були отримані чергові докази щодо генерації дендритами спайків. В середині 1950-х нейрофізіологи зафіксували електрогенну відповідь в апікальних дендритах CA1 нейронів, які передували соматично-аксонному популяційному спайку (PS). Тоді ж, Джон Еклс з колегами виявили, що спайк також може бути генерований в дендритах мотонейронів з хроматолізом. У 1961 році, Кендел і Спенсер в своїй класичній статті повідомили про внутрішньоклітинну реєстрацію малого, спайк-подібного потенціалу (названого «швидкий препотенціал») в апікальних дендритах CA1 нейронів гіпокампу і вперше зробили припущення, що дендрити можуть генерувати спайки. Згодом, схожі «дендритні спайки» були виявлені в мозочкових клітинах Пуркіньє., а також, — зокрема радянськими фізіологами, — в нейронах кори черепах (1976), нюховій цибулині та сенсомоторній корі щурів.

Втім, лише з кінця 1980-х — початку 1990-х вчені почали поступово схилятись до думки, що дендрити не тільки передають інформацію, але й змінюють та зберігають. Найбільш однозначно існування дендритних спайків було показано в серії статей Грега Стюарта та Берта Закмана протягом 1993—1998 років, які використали ціло-клітинні петч-електроди для реєстрації одночасно соматичного потенціалу дії та дендритного спайка. Це були перші безпосередні свідчення існування потенціалзалежних іонних каналів в дендритах, що слугують для генерації та підтримки дендритних потенціалів дії.

Дендритні спайки

Na+ — Ca2+ спайки

Починаючи з 1990-х повідомлення про реєстрацію дендритних спайків в гіпокампальних та неокортикальних нейронах в зрізах та in vivo стають все частішими, все більш переконуючи, що дендрити спроможні генерувати регенеративні спайки за допомогою потенціал-залежних натрієвих (Na+) та кальцієвих (Ca2+) каналів. Одночасні соматичні та дендритні записи струму безпосередньо продемонстрували генерацію дендритних спайків. В пірамідних нейронах 5 шару кори та гіпокампа було виявлено дендритні спайки, що передують соматичним спайкам, і які поширюються в обох типах нейронів через сильне синаптичне збудження. Також у мозочкових клітинах Пуркіньє, інтернейронах гіпокампа, мітральних клітинах нюхової системи та гангліозних клітинах сітківки було виявлено дендритні спайки та відокремлені від соматичних потенціали дії.

Одна з можливих причин, чому ці спайки не було видно раніше, це те, що вони можуть маскуватись соматичними спайками, які вони викликають. Генерування в дендритах спайків найчастіше пов'язане із активною провідністю Ca2+ чи Na+ каналів, або їх обох. Деполяризація віддаленого апікального дендрита призводить до активації Ca2+ провідностей, які генерують Ca2+ спайк.

Одним з найбільш унікальних прикладів впливу дендритних Ca2+ спайків на поширення синаптичного потенціалу і активного впливу на сому є пірамідальні нейрони 5 шару кори. Внаслідок відносно великої довжини апікального дендрита багато синапсів знаходяться настільки далеко від соми, що за відсутності якого-небудь компенсуючого механізму, вони не матимуть жодного впливу на соматичний потенціал. Втім, не тільки значне пасивне загасання, але навіть активні (Iр та K+ каналів А-типу) струми здатні в цих нейронах призвести до суттєвого послаблення вхідного синаптичного сигналу.

Оскільки унікальна морфологія дендритів пірамідальних нейронів L5 дозволяє їм виконувати одні із найскладніших обчислювальних функцій в ЦНС, то для підтримки такої структури дендритів та компенсації її негативних ефектів на проходження сигналу, біля головної точки розгалуження апікального дендрита (~500-600 мкм від соми) існує додаткова, поряд із аксонною, зона генерації спайків.

Позаяк цей регіон дендрита характеризується досить високою щільністю потенціал-залежних кальцієвих каналів, то вважається що дистальне (віддалене) апікальне дендритне дерево може діяти, як окремий центр інтеграції синаптичних імпульсів і генерувати власний, Ca2+ спайк, в такий спосіб спонукаючи сому та аксон до породження потенціалу дії.

Кальцієвий спайк в пірамідальних нейронах 5 шару є настільки сильним, що будучи активований, він веде до повторюваних розрядів. Оскільки вони генерують довгі (до 50 мсек in vitro) плато-потенціали, то тривала деполяризація, яка внаслідок цього виникає і поширюється до аксонного початкового сегмента, спричиняє високочастотні пачки (bursts) потенціалів дії Особливо неочікуваним було відкриття того, що генерування дендритного Ca2+ спайку породжує більше вихідних потенціалів дії в аксоні, аніж підпороговий вхідний імпульс до соми. Наявність віддалених дендритних Ca2+ спайків може одразу бути помічена в сомі завдяки характерному паттерну пачок 2-4 спайків з частотою 200 Гц. Тому, можливо, це слугує як засіб для сигналювання сусіднім нейронам про появу дендритних спайків, і тоді ці пачки спайків можуть бути ключовим механізмом кортикального нейронного коду

У клітинах Пуркіньє генерація дендритних спайків більш проста: оскільки в їх дендритах нема Na+ каналів, дендритні потенціали дії обумовлені Ca2+ каналами, що узгоджується із більшою шириною (spike width) цих спайків.

На відміну від локально обмеженої зони для генерації Ca2+ спайків, породження локального Na+ спайку є можливим для більшості регіонів дендритних дерев пірамідальних клітин) Ці дендритні спайки схожі на соматичні потенціали дії, оскільки характеризуються швидким зростанням і короткою тривалістю, однак їх поширення до соми є менш стійким та може значно слабшати в сомі, особливо якщо вони генеруються в тонких дендритах

Незважаючи на таке послаблення, Na+ спайки здатні збільшувати часову точність вихідного сигналу соматичного потенціалу дії завдяки швидкості висхідної фази деполяризації в сомі. Оскільки активація локальних Na+ спайків потребує короткої локальної деполяризації з великою амплітудою, то для їх породження потрібно лише, щоб множина синхронних вхідних імпульсів активувалась на невеликому відрізку дендрита. Подібна синхронна і кластерна активація синапсів була виявлена в CA1 пірамідальних нейронах гіпокампу, де вивільнення глутамату на радіальний нахилений дендрит призводило до генерації Na+ спайків в єдиній гілці, роблячи її єдиним інтегративним сегментом та місцем стимуляції синаптичної пластичності

Хоча майже всі дослідники визнають сьогодні існування цих дендритних спайків, серед них існує розходження щодо ролі та впливу цих спайків на соматично-аксонний потенціал дії. Кілька досліджень показало, що Na+ і Ca2+ спайки ледь наближаються до соми та аксону, маючи малу амплітуду і часто залишаючись в межах місця їх виникнення. Потрійна реєстрація із аксону, соми та апікального дендриту неокортикального пірамідального нейрону показує, що аксонний потенціал дії завжди передує соматичному потенціалу дії, навіть якщо дендритний спайк передує соматичному потенціалу дії. Ці дані означають, що дендритні спайки не надто надійно поширюються до соми та аксону і, як наслідок, обумовлена дендритними спайками деполяризація що досягає соми є часто малою. Втім, в деяких випадках, соматична деполяризація внаслідок поєднання збуджувального постсинаптичного потенціалу(ЗПСП) та дендритного спайку є достатньо великою для генерації потенціалу дії в аксоні, тоді як в ін. випадках, ЗПСП та дендритний спайк разом зумовлюють лише підпорогову деполяризацію в сомі та аксоні, обмежуючись ізольованим дендритним спайком.

На відміну від великих, «все-або-нічого» потенціалів дії, що виникають в аксоні чи сомі, дендритні спайки варіюються в амплітуді та регулюються попередньою нейронною історією синаптичної та потенціальної активності. Також, на відміну від аксонного потенціалу дії, дендритні спайки кардинально послаблюються, під час поширення до сом, часто не призводячи до потенціалу дії в аксоні. Зважаючи на цю відмінність від потенціалу дії, деякі дослідники вважають, що дендритні спайки слід розглядати як 1) впливові, але не абсолютні вирішальні чинники генерації потенціалу дії в аксоні, 2) як форму активної синаптичної інтеграції, а кінцеве місце синапчтиної інтеграції визнати за аксоном.

Ca2+ спайк

NMDA-спайк

Ряд експериментальних дослідів показало, що активні дендрити можуть генерувати локальні спайки, коли синаптичний вхідний імпульс є достатньо згрупованим у просторі та часі (останнє є головною умовою для існування детектора збігів у дендритах). Такі спайки можуть бути генеровані за допомогою будь-якої комбінації потенціалзалежних регенеративних внутрішніх струмів, присутніх в дендритній мембрані. До прикладу, струм, зумовлений активацією іонотропного рецептора глутамата — NMDA (N-метил-D-аспартат) рецептора — є надзвичайно потенціалзалежним.