ячейка Маутнера

Клетки Маутнера — это пара крупных и легко идентифицируемых нейронов (по одному на каждую половину тела), расположенных в ромбомере 4-м заднего мозга рыб и амфибий , отвечающих за очень быстрый рефлекс бегства (у большинства животных — так называемый ответ C-start). Клетки также отличаются необычным использованием как химических, так и электрических синапсов .

Эволюционная история

Клетки Маутнера впервые появляются у миног (отсутствуют у миксин и ланцетников ), и присутствуют практически у всех костистых рыб, а также у земноводных (в том числе у постметаморфических лягушек и жаб). ). Однако некоторые рыбы, такие как пиназы , похоже, потеряли клетки Маутнера.

Роль в поведении

C-старт

C-старт — это тип очень быстрого рефлекса испуга или бегства , который используется рыбами и земноводными (включая личинки лягушек и жаб). В C-старте есть две последовательные стадии: во-первых, голова вращается вокруг центра масс в направлении будущего побега, а тело животного имеет искривление, напоминающее букву С; затем, на втором этапе, животное продвигают вперед. Продолжительность этих стадий варьируется от вида к виду примерно от 10 до 20 мс для первой стадии и от 20 до 30 мс для второй. У рыб это движение вперед не требует сокращения мышцы- антагониста , а является результатом жесткости тела и гидродинамического сопротивления хвоста . Когда на стадии 2 происходит антагонистическое мышечное сокращение, рыба вращается в противоположном направлении, вызывая встречный поворот и изменение направления.

Роль ячейки Маутнера в поведении C-start

В случаях, когда резкий акустический , тактильный или зрительный стимул вызывает одиночный потенциал действия в одной М-клетке, это всегда коррелирует с контралатеральным ускользанием С-старта. Чрезвычайно быстрая схема взаимной обратной связи тормозная гарантирует, что только одна М-клетка достигнет порога всплеска (поскольку С-старт по определению должен быть односторонним ) и что активируется только один потенциал действия.

Рефлекс C-start, опосредованный клетками Маутнера, очень быстрый, с задержкой около 5–10 мс между акустическим/тактильным стимулом и разрядом клеток Маутнера и всего около 2 мс между разрядом и односторонним сокращением мышц. Таким образом, клетки Маутнера являются наиболее быстрыми мотонейронами, реагирующими на стимул. Это делает реакцию C-start поведенчески важной как способ инициировать рефлекс побега по принципу « все или ничего» , в то время как направление и скорость побега можно скорректировать позже за счет активности более мелких мотонейронов.

У личинок рыбок данио около 60% общей популяции ретикулоспинальных нейронов также активируются стимулом, который вызывает ускользание M-шипа и C-start. Хорошо изученной группой этих ретикулоспинальных нейронов являются билатерально спаренные гомологи М-клеток, обозначаемые MiD2cm и MiD3cm . Эти нейроны демонстрируют морфологическое сходство с М-клетками, включая латеральный и вентральный дендрит. Они расположены в ромбомерах 5 и 6 заднего мозга соответственно и также получают слуховой сигнал параллельно с М-клеткой pVIII нерва . У рыб стимулы струи воды, которые активируют эти нейроны, вызывают немаутнеровские C-старты с более длительным латентным периодом по сравнению со запусками, связанными с М-клетками.

Хотя М-клетку часто считают прототипом командного нейрона у позвоночных , это обозначение не может быть полностью оправданным. Хотя электрической стимуляции М-клетки достаточно для вызова С-старта, этот С-старт обычно слабее, чем тот, который вызывается сенсорным стимулом. Более того, С-старт может быть вызван даже при удалении М-клетки , хотя в этом случае увеличивается латентный период ответа. Наиболее широко распространенная модель системы М-клеток, или сети ускользания ствола мозга, заключается в том, что М-клетка инициирует фиксированный паттерн действий влево или вправо, активируя спинальную моторную цепь, первоначально описанную Дж. Даймондом и его коллегами, но точная траектория побега кодируется популяционной активностью других классов ретикулоспинальных нейронов, функционирующих параллельно с М-клетками. Это мнение подтверждается исследованиями с использованием in vivo визуализации кальция у личинок рыбок данио, которые показывают, что MiD2cm и MiD3cm активируются вместе с М-клеткой, когда вызывающий раздражение стимул направлен на голову, а не на хвост, и коррелируют с C-началами больший начальный угол поворота.

Другой компонент реакции побега опосредуется краниальными релейными нейронами , которые активируются спайком клеток Маутнера. Эти нейроны электрически связаны с мотонейронами, которые иннервируют экстраокулярные, челюстные и покрышные мышцы и опосредуют приведение грудных плавников у топорика . Этот компонент нейронной цепи был впервые описан Майклом В.Л. Беннеттом и его коллегами.

Клетки Маутнера в других типах поведения

Клетки Маутнера могут быть вовлечены и в другие модели поведения, кроме С-старта, если эти типы поведения также требуют чрезвычайно быстрых сгибательных движений тела. Так, у золотой рыбки клетки Маутнера активируются при поимке добычи у поверхности воды, поскольку этот вид охоты опасен для рыбы, и ей было бы полезно покинуть поверхность как можно скорее после поимки добычи.

У взрослых постметаморфических бесхвостых (лягушек и жаб), не имеющих хвоста, тем не менее сохраняются М-клетки. и их разряды связаны с быстрым движением ног при побеге. Кроме того, личинки миног ( угреподобные бесчелюстные рыбы надкласса Cyclostomata) демонстрируют быстрое отдергивание, которое коррелирует с активностью клеток Маутнера и включает двусторонние, зависящие от позы мышечные сокращения по длине тела. Личинки миног (ammocoetes) — это фильтраторы, которые занимают норы серповидной формы на илистом или илистом дне русл пресноводных ручьев, располагая рот на поверхности ила или чуть выше него. Внезапная вибрация активирует оба нейрона Маутнера в стволе мозга миноги, что вызывает мышечное сокращение туловища и хвоста, напоминающее аккордеон, и втягивает голову в нору.

Морфология и связи

Входы в М-клетку: возбуждение и торможение прямой связи.

М-клетка имеет два первичных аспиевых (без дендритных шипов ) дендритов , которые получают отдельные входные сигналы от различных частей нервной системы. Один дендрит выступает латерально, а другой — либо в вентральном, либо в медиальном направлении, в зависимости от вида.

Вентральный дендрит получает информацию от зрительного покрова. и спинной мозг в то время как латеральный дендрит получает входные данные от октоволатеральных систем ( латеральная линия , акустические сигналы от внутреннего уха и инерционная информация от статолитов, приносимых черепным нервом VIII ).

Волокна ипсилатерального черепного нерва VIII оканчиваются возбуждающими смешанными электрическими и глутаматергическими синапсами на М-клетке. Они также электрически активируют глицинергические тормозные интернейроны, оканчивающиеся на М-клетках. Несмотря на то, что на пути тормозного входа имеется еще один синапс, задержки между возбуждением и торможением нет, поскольку промежуточный синапс является электрическим. Показано, что при слабых раздражителях торможение побеждает возбуждение, не давая М-клетке разрядиться, а при более сильных раздражителях возбуждение становится доминирующим. Афференты внутреннего уха также заканчиваются электрическими синапсами на ингибирующих PHP интернейронах (см. ниже), чтобы обеспечить дополнительный уровень прямого торможения. Клетка Маутнера также имеет ГАМК- , дофамин- , серотонин- и соматостатинергические входы, каждый из которых ограничен определенной дендритной областью.

Входные сигналы от зрительного покрова и боковой линии помогают контролировать, в какую сторону изгибается C-испугание, смещая клетки Маутнера, когда поблизости есть препятствия. В случаях, когда движение в сторону от раздражителя заблокировано, рыба может наклониться в сторону раздражителя.

Аксонная крышка

клеток Маутнера Аксонный бугорок окружен плотным образованием нейропиля, называемым аксонной шапочкой . Высокое сопротивление этой крышки аксона способствует типичной форме потенциала поля клетки Маутнера (см. Ниже). В наиболее развитой форме крышка аксона состоит из ядра, непосредственно примыкающего к аксону клетки Маутнера и содержащего сеть очень тонких безмиелиновых волокон, и периферической части. Эта периферическая часть содержит крупные немиелиновые волокна нейронов PHP (см. ниже), которые обеспечивают тормозную обратную связь с клетками Маутнера; сама клетка Маутнера также посылает небольшие дендриты от своего аксонного холма к периферической части аксонной крышки. Наконец, поверхность чехлика аксона покрыта стенкой колпачка, из нескольких слоев астроцитоподобных состоящей глиальных клеток. И глиальные клетки, и немиелиновые волокна соединяются друг с другом посредством щелевых соединений .

Эволюционно аксонная крышка является более поздней разработкой, чем сама клетка Маутнера, поэтому некоторые животные, такие как миноги и угри , хотя и имеют функциональные клетки Маутнера, вообще не имеют аксонной крышки, в то время как некоторые другие животные, такие как амфибии и Двоякодышащие рыбы , у них есть очень упрощенная версия.

Сеть обратной связи

Основной частью сети, связанной с клетками Маутнера, является сеть отрицательной обратной связи , которая гарантирует, что только одна из двух клеток Маутнера срабатывает в ответ на стимул и что какая бы клетка Маутнера ни сработала, она делает это только один раз. Оба эти требования вполне естественны, учитывая, что последствия одиночного разряда ячейки Маутнера столь сильны; несоблюдение этих двух правил не только не позволит животному сбежать, но даже может нанести ему физический вред. Самая быстрая часть этой сети отрицательной обратной связи, которая также является ближайшей к ячейке Маутнера, — это так называемый потенциал пассивного гиперполяризующего поля или PHP-нейроны . Волокна этих нейронов расположены в капсуле аксона и получают входные сигналы как от ипсилатеральных , так и от контралатеральных клеток Маутнера. Потенциалы поля PHP-нейронов сильно положительны и составляют часть «сигнатурного полевого потенциала» клетки Маутнера (см. ниже), при этом ранний (ипсилатерально инициируемый) компонент называется внеклеточным гиперполяризующим потенциалом (ЭГП), а более поздний (контралатерально инициируемый) компонент иногда называют в литературе поздним коллатеральным торможением (LCI). Воздействие PHP-нейронов на клетки Маутнера опосредовано электрическими, а не химическими эффектами: внешние токи, генерируемые потенциалами действия клетки Маутнера в волокнах колпачка аксона, текут внутрь через аксонный холмик и гиперполяризуют его.

Выходы

Единственный аксон клетки Маутнера достигает средней линии заднего мозга , быстро пересекает ее на контралатеральную сторону, а затем спускается каудально вдоль спинного мозга . Одиночный разряд М-клетки оказывает целый ряд параллельных воздействий на двигательные сети спинного мозга: 1) моносинаптически возбуждает крупные первичные мотонейроны на одной стороне тела; 2) дисинаптически возбуждает более мелкие мотонейроны на одной стороне тела; 3) инициирует потенциалы действия в тормозных интернейронах, электрически связанных с аксоном М-клетки, и с их помощью тормозит а) тормозные интернейроны, находящиеся еще на той же стороне тела (чтобы не мешать им С-старту), а также б) мотонейроны на другой стороне тела. В результате такой схемы активации быстрые мышцы на одной стороне тела сокращаются одновременно, а мышцы на другой стороне тела расслабляются.

Электрофизиология

Эфаптические свойства

Эфаптическое ингибирование крышки аксона Маутнера клетками PHP

Торможение М-клетки клетками PHP происходит за счет эфаптических взаимодействий . Торможение осуществляется без химических синапсов или электрической синаптической связи, имеющей щелевые контакты с низким сопротивлением, соединяющие клетки. Когда область аксона PHP-клетки вне аксонной крышки деполяризуется, приток положительного заряда в клетку через потенциалзависимые натриевые каналы сопровождается пассивным оттоком тока из аксона PHP-клетки в область, связанную с аксонной крышкой. Из-за высокого сопротивления окружающих глиальных клеток заряд не рассеивается, а потенциал на мембране М-клетки увеличивается, гиперполяризуя ее.

Потенциал поля подписи

Из-за своего размера, наличия сети быстрой обратной связи и обилия электрических и квазиэлектрических ( эфаптических ) синапсов клетка Маутнера обладает сильным полевым потенциалом очень характерной формы. Этот потенциал поля начинается с высокоамплитудного стока потенциала до десятков милливольт по амплитуде, который возникает из-за разряда ячейки Маутнера и за которым сразу же следует положительный потенциал, называемый внешним гиперполяризующим потенциалом или EHP, который связан с активностью сеть рекуррентной обратной связи.

Благодаря высокой амплитуде у некоторых животных отрицательная часть потенциала поля клетки Маутнера может быть обнаружена на расстоянии до нескольких сотен микрометров от самой клетки. Положительные компоненты потенциала поля наиболее сильны в чехле аксона, достигая у взрослых золотых рыбок амплитуды 45 мВ. Зная эти свойства потенциала поля, можно использовать мониторинг потенциала поля как способ обнаружения тела клетки Маутнера in vivo или in vitro в препарате всего мозга, перемещая записывающий электрод в заднем мозге , находясь в одновременно стимулируя спинной мозг , вызывая тем самым антидромные потенциалы действия в аксоне клеток Маутнера.

Пластичность

Было показано, что применение серотонина увеличивает тормозные воздействия на М-клетку, а применение дофамина – увеличивает амплитуду как химических, так и электрических компонентов ответов VIII нерва посредством G-белка -опосредованной активации постсинаптического рецептора D2 . Зависимая от активности ДП может быть вызвана в М-клетках высокочастотной стимуляцией VIII нерва. Удивительно, но эта ДП опосредована электрическими синапсами и, как предполагается, включает модификацию каналов щелевых соединений . Возможность индукции ДП сенсорными стимулами in vivo . и доказательства ДП ингибирующего воздействия на М-клетки также были продемонстрированы.

Спонтанное предпочтение направления поворота у молоди золотых рыбок коррелирует с тем, что одна из клеток Маутнера больше другой. Изменить предпочтения рыб можно, подняв их в условиях, облегчающих повороты в определенном направлении; этот сдвиг сопровождается соответствующим изменением размеров М-клеток.

История исследований

Клетка Маутнера была впервые обнаружена венским офтальмологом Людвигом Маутнером у костистых рыб из-за связанной с ней нервной цепи, которая опосредует реакцию бегства, называемую C-старт или C- испуг, чтобы направить рыбу от хищника.

М-клетка — модельная система в области нейроэтологии . Система М-клеток послужила для детальных нейрофизиологических и гистологических исследований синаптической передачи и синаптической пластичности . Исследования Дональда Фабера и Анри Корна помогли установить одной пузырьковой гипотезу синаптической передачи в ЦНС . Другие важные темы исследований, которые изучались в системе М-клеток, включают исследования Йоичи Оды и его коллег по тормозной долгосрочной потенциации и слуховому обусловливанию реакции испуга, а также исследования Альберто Переды и его коллег по пластичности электрических синапсов . Другие темы исследований, изучаемые в системе М-клеток, включают исследования спинальных нейронных сетей и регенерации нейронов Джо Фетчо и его коллег, а также локализацию звука под водой и биофизику вычислений в отдельных нейронах.

Дальнейшее чтение

• Бхатт Д.Х., Отто С.Дж., Депуастер Б., Фетчо-младший (июль 2004 г.). «Циклическое AMP-индуцированное восстановление спинальных цепей рыбок данио». Наука . 305 (5681): 254–8. Бибкод : 2004Sci...305..254B . дои : 10.1126/science.1098439 . ПМИД   15247482 . S2CID   35497854 .
• Итон Р.К., Ли Р.К., Форман М.Б. (март 2001 г.). «Клетка Маутнера и другие идентифицированные нейроны сети спасения ствола мозга рыб». Прога Нейробиол . 63 (4): 467–85. дои : 10.1016/S0301-0082(00)00047-2 . ПМИД   11163687 . S2CID   19271673 .
• Хейл М.Э., Хейрбек М.А., Шрифер Дж.Э., Принц В.Е. (март 2004 г.). «Неправильная экспрессия гена Hox и клеточно-специфические поражения обнаруживают функциональность гомеотически трансформированных нейронов» . Дж. Нейроски . 24 (12): 3070–6. doi : 10.1523/JNEUROSCI.5624-03.2004 . ПМК   6729858 . ПМИД   15044546 .
• Кохаши Т., Ода Ю. (октябрь 2008 г.). «Начало быстрого побега, опосредованного или не опосредованного Маутнером, вызванное различными способами сенсорного воздействия» . Дж. Нейроски . 28 (42): 10641–53. doi : 10.1523/JNEUROSCI.1435-08.2008 . ПМК   6671347 . ПМИД   18923040 .
• Ода Ю, Кавасаки К, Морита М, Корн Х, Мацуи Х (июль 1998 г.). «Тормозное долговременное потенцирование лежит в основе слухового обусловливания побега золотых рыбок». Природа . 394 (6689): 182–5. Бибкод : 1998Natur.394..182O . дои : 10.1038/28172 . ПМИД   9671301 . S2CID   4430180 .
• О'Мэлли Д.М., Као Ю.Х., Фетчо-младший (декабрь 1996 г.). «Изображение функциональной организации сегментов заднего мозга рыбок данио во время побега» . Нейрон . 17 (6): 1145–55. дои : 10.1016/S0896-6273(00)80246-9 . ПМИД   8982162 .
• Переда А.Е., Раш Дж.Е., Надь Дж.И., Беннетт М.В. (декабрь 2004 г.). «Динамика электрической передачи на трефовых окончаниях клеток Маутнера». Мозговой Res Мозговой Res Rev. 47 (1–3): 227–44. CiteSeerX   10.1.1.662.9352 . дои : 10.1016/j.brainresrev.2004.06.010 . ПМИД   15572174 . S2CID   9527518 .
• Вайс С.А., Зоттоли С.Дж., До С.К., Фабер Д.С., Пройсс Т. (декабрь 2006 г.). «Корреляция поведения C-start с нейронной активностью, зарегистрированной в заднем мозге свободно плавающей золотой рыбки (Carassius auratus)» . J Exp Biol . 209 (23): 4788–801. дои : 10.1242/jeb.02582 . ПМИД   17114411 .
• Зоттоли С.Дж., Фример М.М. (сентябрь 2003 г.). «Восстановление C-стартов, равновесия и целевого питания после повреждения всего спинного мозга у взрослой золотой рыбки Carassius auratus» . J Exp Biol . 206 (17): 3015–29. дои : 10.1242/jeb.00512 . ПМИД   12878670 .