Хотя долгое время считалось, что потенциал действия (ПД) может генерироваться преимущественно на начальном сегменте низкопорогового нейронного аксона (AIS), в течение последних десятилетий было накоплено много данных в пользу того, что потенциалы действия также возникают в дендритах. Такой дендритный ПД, для того чтобы отличить его от аксонного потенциала действия, часто называют «дендритный спайк».

Дендритные спайки локально генерируются в дендритах многих типов нейронов ЦНС путём фокальной стимуляции дендрита. В общем, несмотря на их несколько смешанную природу, можно чётко различить три главных типа дендритных спайков, согласно классу активных проводников, лежащих в их основе: Na+, Ca2+ (или плато-спайки) и N-метил-D-аспартат (NMDA) спайки. Хотя различные электрические свойства, типы каналов и многообразие дендритной морфологии порождают отличные дендритные ПД, с разным временем нарастания и продолжительностью, дендритные спайки обладают характерными для классических (аксонных) ПД свойствами: они имеют порог возбуждения, рефракторный период и активно распространяются на определённое расстояние.

Дендритный спайк является нелинейным феноменом, который способен преодолеть влияние других синапсов и предотвратить интеграции дополнительных входных синаптических импульсов, представая как результат локальной синхронизированных кластеров входных сигналов к дендриту. Дендритные спайки обычно гораздо медленнее, чем аксонные ПД, и генерируются или изолированно от сомы (локальные спайки), или совпадая с аксонными потенциалами действия обратного распространения. Если дендритный спайк является достаточно сильным, он может распространиться к телу нейрона (сомы) и привести к генерации сомато-аксонного потенциала действия, или даже пачкам (bursts) потенциалов действия (несколько спайков).

Существование дендритных спайков существенно увеличивает репертуар вычислительных функций нейрона, делая возможным функциональные ассоциации локальных входных сигналов; усиление отдалённых синаптических импульсов, которые в противном случае не могли бы иметь влияние на соматический потенциал; влиять на стимуляцию синаптической пластичности.

История Хотя в 1950-х и ранних 1960-х господствующим было представление, что дендриты являются пассивными отростками нейронов, которые просто интегрируют возбуждающие и ингибирующие импульсы, накапливались единичные свидетельства, что в дендритах также может распространяться потенциал действия. Впервые зафиксировал его в 1951 году выдающийся китайский нейрофизиолог Сян-Тун Чан (:en:Hsiang-Tung Chang), который тогда работал в Йельском университете. В опубликованной в том году статье он сообщил о том, что дендриты могут возбуждаться под воздействием электрической стимуляции и способны генерировать потенциалы действия, которые отличаются от аксонных тем, что не является «всё-или-ничего» потенциалами. В следующих восьми своих публикациях он подтвердил свои находки, однако большинство нейробиологов отнеслись к ним критически, и в дальнейшем считая, что только аксоны являются единственным местом генерации потенциала действия.

Вскоре после Чанга, в результате регистрации популяционных ответов в поле CA1 нейронов гиппокампа, были получены очередные доказательства относительно генерации дендритами спайков. В середине 1950-х нейрофизиологи зафиксировали электрогенный ответ в дендритах CA1 нейронов, которые предшествовали соматически-аксонному популяционному спайку (PS). Тогда же Джон Эклс с коллегами обнаружили, что спайк также может генерироваться в дендритах мотонейронов с хроматолизом. В 1961 году, Кендалл и Спенсер в своей классической статье сообщили о внутриклеточной регистрации малого, спайкоподобного потенциала (названного «быстрый препотенциал») в апикальных дендритах CA1 нейронов гиппокампа и впервые сделали предположение, что дендриты могут генерировать спайки. Впоследствии, похожие «дендритные спайки» были обнаружены в мозжечковых клетках Пуркинье, а также, — в частности советскими физиологами — в нейронах коры черепах (1976), обонятельной луковице и сенсомоторной коре крыс.

Впрочем, лишь с конца 1980-х — начале 1990-х учёные начали постепенно склоняться к мысли, что дендриты не только передают информацию, но и меняют и хранят. Наиболее однозначно существование дендритных спайков было показано в серии статей Грега Стюарта и Берта Закмана в течение 1993—1998 годов, которые использовали цело-клеточные пэтч-электроды для регистрации одновременно соматического потенциала действия и дендритного спайка. Это были первые прямые свидетельства существования потенциалзависимых ионных каналов в дендритах, которые служат для генерации и поддержания потенциалов действия.

Дендритные спайки

Na+ — Ca2+ спайки

Начиная с 1990-х сообщение о регистрации дендритных спайков в гиппокампальных и неокортикальных нейронах в срезах и in vivo становятся всё более частыми, всё более убеждая, что дендриты способны генерировать регенеративные спайки с помощью потенциал-зависимых натриевых (Na+) и кальциевых (Ca2+) каналов. Одновременные соматические и дендритные пэтч-кламп регистрации непосредственно продемонстрировали генерацию дендритных спайков. В пирамидальных нейронах 5 слоя коры и гиппокампа были обнаружены дендритные спайки, которые предшествуют соматическим спайкам и распространяются в обоих типах нейронов через сильные синаптические возбуждения. Также в мозжечковых клетках Пуркинье, интернейронах гиппокампа, митральных клетках обонятельной системы и ганглионарных клетках сетчатки были обнаружены дендритные спайки и отделённые от соматических потенциалы действия.

Одна из возможных причин, почему эти спайки не было видно раньше, заключается в том, что они могут маскироваться соматическими спайками, которые они вызывают. Генерирование в дендритах спайков чаще всего связано с активной проводимостью Ca2+ или Na+ каналов, или их обоих. Деполяризация удалённого апикального дендрита приводит к активации Ca2+ проводимостей, которые генерируют Ca2+ спайк.

Одним из самых уникальных примеров влияния дендритных Ca2+ спайков на распространение синаптического потенциала и активного влияния на сому являются пирамидальные нейроны 5 слоя коры. Вследствие относительно большой длины апикального дендрита много синапсов находятся настолько далеко от сомы, что при отсутствии какого-либо компенсирующего механизма, они не окажут никакого влияния на соматический потенциал.. Впрочем, не только значительное пассивное затухание, но даже активные (Iр и K+ каналов А-типа) токи способны в этих нейронах привести к существенному ослаблению входного синаптического сигнала.

Поскольку уникальная морфология дендритов пирамидальных нейронов L5 позволяет им выполнять одни из самых сложных вычислительных функций в ЦНС, то для поддержки такой структуры дендритов и компенсации её негативных эффектов на прохождение сигнала, возле главной точки ветвления апикального дендрита (около 500—600 мкм от сомы) существует дополнительная, рядом с аксонной, зона генерации спайков.

Поскольку этот регион дендрита характеризуется достаточно высокой плотностью потенциал-зависимых кальциевых каналов, то считается что дистальное (удалённое) апикальное дендритное дерево может действовать как отдельный центр интеграции синаптических импульсов и генерировать собственный, Ca2+ спайк, таким образом побуждая сому и аксон к порождению потенциала действия.

Кальциевый спайк в пирамидальных нейронах 5 слоя является настолько сильным, что будучи активирован, он ведёт к повторяющимся разрядам. Поскольку они генерируют длинные (до 50 мсек in vitro) плато-потенциалы, то длительная деполяризация, которая вследствие этого возникает и распространяется до аксонного начального сегмента, влечёт высокочастотные пачки (bursts) потенциалов действия. Особенно неожиданным было открытие того, что генерирование дендритного Ca2+ спайка порождает больше выходных потенциалов действия в аксоне, чем предпороговый входной импульс к соме. Наличие отдалённых дендритных Ca2+ спайков может сразу быть замечено в соме благодаря характерному паттерну пачек 2-4 спайков с частотой 200 Гц. Поэтому, возможно, это служит как средство для сигнализирования соседним нейронам о появлении дендритных спайков, и тогда эти пачки спайков могут быть ключевым механизмом кортикального нейронного кода.

В клетках Пуркинье генерация дендритных спайков более проста: поскольку в их дендритах нет Na+ каналов, дендритные потенциалы действия обусловлены Ca2+ каналами, что согласуется с большей шириной (spike width) этих спайков.

В отличие от локально ограниченной зоны для генерации Ca2+ спайков, порождение локального Na+ спайка является возможным для большинства регионов дендритных деревьев пирамидальных клеток. Эти дендритные спайки похожи на соматические потенциалы действия, поскольку характеризуются быстрым ростом и короткой продолжительностью, однако их распространение в соме является менее устойчивым и может значительно ослабевать в соме, особенно если они генерируются в тонких дендритах.

Несмотря на такое ослабление, Na+ спайки способны увеличивать временную точность выходного сигнала соматического потенциала действия благодаря скорости восходящей фазы деполяризации в соме. Поскольку активация локальных Na+ спайков нуждается в короткой локальной деполяризации с большой амплитудой, то для их порождения нужно только, чтобы множество синхронных входных импульсов активизировались в короткой длине дендрита. Подобная синхронная и кластерная активация синапсов была обнаружена в CA1 пирамидальных нейронах гиппокампа, где высвобождение глутамата на радиальный наклонённый дендрит приводило к генерации Na+ спайков в единственной ветке, делая её единственным интеграционным сегментом и местом стимуляции синаптической пластичности.

Хотя почти все исследователи признают сегодня существование этих дендритных спайков, среди них существует расхождение относительно роли и влияния этих спайков на соматически-аксонный потенциал действия. Несколько исследований показало, что Na+ и Ca2+ спайки едва приближаются к соме и аксону, имея малую амплитуду и часто оставаясь в пределах места их возникновения. Тройная регистрация по аксону, соме и апикальному дендриту неокортикального пирамидального нейрона показывает, что аксонный потенциал действия всегда предшествует соматическому потенциалу действия, даже если дендритный спайк предшествует соматическому потенциалу действия. Эти данные означают, что дендритные спайки не слишком надёжно распространяются к соме и аксону и, как следствие, обусловленная дендритными спайками деполяризация, которая достигает сомы, часто является малой. Однако, в некоторых случаях, соматическая деполяризация вследствие сочетания возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) и дендритного спайка является достаточно большой для генерации потенциала действия в аксоне, тогда как в др. случаях ВПСП и дендритный спайк вместе обусловливают лишь подпороговую деполяризацию в соме и аксоне, заканчиваясь изолированным дендритным спайком.

В отличие от крупных, «всё-или-ничего» потенциалов действия, которые возникают в аксоне или соме, дендритные спайки варьируются в амплитуде и регулируются недавней нейронной историей синаптической и потенциальной активности. Также, в отличие от аксонного потенциала действия, дендритные спайки кардинально ослабляются во время распространения к соме, часто не приводя к потенциалу действия в аксоне. Несмотря на это отличие от потенциала действия, некоторые исследователи считают, что дендритные спайки следует рассматривать как 1) влиятельные, но не абсолютные решающие факторы генерации потенциала действия в аксоне, 2) как форму активной синаптической интеграции, а конечное место синаптической интеграции признать за аксоном.

Ca2+ спайк

NMDA-спайк