Пионерский аксон

Аксон-пионер — это классификация аксонов , которые первыми растут в определенном регионе. Они происходят из нейронов-первопроходцев и имеют основную функцию — прокладывать первоначальный путь роста, по которому в конечном итоге будут следовать последующие растущие аксоны, называемые аксонами-ведомыми, от других нейронов.

В настоящее время исследуются несколько теорий, касающихся структуры и функции пионерских аксонов. Первая теория заключается в том, что пионерские аксоны представляют собой специализированные структуры и играют решающую роль в управлении последующими аксонами. Во-вторых, пионерские аксоны ничем не отличаются от аксонов-ведомых и не играют никакой роли в управлении аксонами-ведомыми.

Анатомически различий между пионерскими и ведомыми аксонами нет, хотя морфологические различия имеются. Механизмы пионерских аксонов и их роль в наведении аксонов в настоящее время исследуются. Кроме того, многие исследования проводятся на модельных организмах, таких как кузнечики, рыбки данио и плодовые мухи, для изучения влияния манипуляций с пионерскими аксонами на развитие нейронов.

История

Сантьяго Рамон-и-Кахаль , считающийся отцом современной нейробиологии , был одним из первых, кто физически наблюдал растущие аксоны. Более того, он заметил, что аксоны растут структурированным и управляемым образом. Он утверждал, что аксоны управляются хемотаксическими сигналами. Действительно, более поздние эксперименты показали, что как на моделях беспозвоночных , так и на позвоночных аксоны росли по заранее определенным маршрутам, создавая воспроизводимый каркас из нервов.

Взгляды Рамона-и-Кахаля столкнулись с некоторой конкуренцией со стороны Пола Альфреда Вайса , его современного нейробиолога 1920-х и 1930-х годов. Вайс утверждал, что функциональная специфичность не зависит от конкретных соединений аксонов и что в управлении аксонами участвуют неспецифические механические сигналы. Последующие исследования хемотаксических сигналов, начавшиеся в 1970-х годах, в конечном итоге доказали, что первоначальные идеи Рамона-и-Кахаля были интуитивными и опережали его время. ^[1]

Механизмы роста

Механизм роста пионер-нейронов исследован в центральной и периферической нервной системе беспозвоночных животных. Наблюдения за ростом аксонов на раннем эмбриональном периоде привели к выводам, что аксоны активно направляются в определенные места. В рамках этих моделей на животных было выявлено несколько факторов, играющих роль в определении направления роста.

Клетки-указатели представляют собой специализированные чувствительные клетки, рано дифференцирующиеся. Эти клетки необходимы для предоставления навигационной информации аксонам-первопроходцам. Массивы пионерных нейронов образуют короткие сегменты пионерских аксонов, идущие от дистально к проксимально внутри придатка. Полученные траектории обусловлены ростом аксонов-первопроходцев от клеток-указательных столбиков к клеткам-указательным столбикам. Кроме того, пионерные аксоны могут действовать как клетки-указатели для более удаленных пионерных нейронов. ^[1] Исследования, включавшие избирательное разрушение клеток-указательных столбов, привели к тому, что аксоны-первопроходцы стали неспособны нормально перемещаться в ЦНС из ПНС. Вместо этого первые аксоны приняли альтернативные конфигурации и следовали по разным траекториям. Кроме того, без клеток-указателей пионерские аксоны не могли найти стереотипный маршрут, по которому обычно перемещаются пионерские аксоны. ^[2]

Было показано, что глиальные клетки также играют различную роль в наведении аксонов. В частности, глиальные клетки демонстрируют взаимодействие с конусами роста пионерских аксонов. Было показано, что путь расширения конусов роста изобилует глиальными клетками, которые, в свою очередь, являются частью клеточной сети, включая другие промежуточные нейроны и филоподии. Глиальные клетки также участвуют в фасцикуляции и дефасцикуляции аксонов, которые необходимы для формирования путей, по которым в конечном итоге следуют. ^[3] Предлагаемый механизм включает создание каркаса из интерфейсной глии, с которым конусы роста контактируют во время образования аксонных путей. Абляция интерфейсной глии приводит к полной потере продольных пионерных аксонных трактов. Кроме того, абляция глии на более поздних стадиях эмбрионального развития также мешает наведению последовательных аксонов, показывая, что глиальные клетки необходимы для поддержания каркаса, необходимого для контакта с конусами роста. ^[4]

Хемотаксические воздействия

Разнообразие хемотаксических сигналов обеспечивает важную передачу сигналов, управляющих направленным ростом аксонов-первопроходцев. Хемотаксические сигналы уникальны тем, что могут быть многофункциональными и универсальными. Одиночный хемотаксический сигнал может действовать как аттрактант или репеллент для первых аксонов и может действовать как на расстоянии, так и в непосредственной близости. Более конкретно, взаимодействие между хемотаксическими сигналами и конусами роста может предложить возможное объяснение разнообразия, которое наблюдается в их поведении. Направляющие молекулы активно участвуют в управлении направлением конусов роста. Например, направляющие молекулы могут инициировать, расширять, стабилизировать или втягивать отдельные филоподии , а также привлекать различные молекулы адгезии, чтобы влиять на их физическое состояние.

Некоторые из различных хемотаксических сигналов, которые были изучены в механизмах пионерских аксонов, включают нетрин , эфрин , семафорин , Slit-Robo и Notch . Рецепторы этих молекул также были изучены. Нетрины в первую очередь функционируют как притяжители первых аксонов к средней линии. Они могут действовать на расстоянии до нескольких миллиметров, а также действовать на близком расстоянии. Нетрины также могут действовать как репеллент. Уникальным среди хемоаттрактантов является то, что функция нетрина сохранялась у множества видов на протяжении 600 миллионов лет. Как и нетрин, эфрин может действовать как аттрактант и репеллент. Эфрины в первую очередь играют роль в создании градиента вдоль передне-задней оси для направления развивающихся аксонов сетчатки. Семафорины, которые впервые были идентифицированы на определенных аксонах в ЦНС кузнечика, действуют в первую очередь как тормозные сигналы ближнего действия, которые уводят первые аксоны от менее идеальных областей. Рецепторные комплексы семафоринов включают нейропилины и плексины. . ^[5]

Сигнальный путь клеток Slit-Robo играет важную роль в управлении пионерскими аксонами, особенно пионерскими продольными аксонами. Эти аксоны, которые соединяют основные части ЦНС, в основном присутствуют во время эмбрионального развития . Семейство Slit в основном действует как репеллент по отношению к продольным аксонам, направляя их от вентральной срединной линии. Потеря Slit у дрозофилы привела к появлению продольных аксонов по средней линии. В сочетании с рецептором Robo передача сигналов Slit играет роль в определении положения путей параллельно средней линии, за которым будут следовать продольные аксоны во время развития. Потеря Slit или Robo вызвала дисфункцию в развитии продольных пионерских нейронов в и заднем мозге дрозофилы среднем . ^[6] Более того, было показано, что Робо играет разнообразную роль в управлении аксонами в различных областях мозга во время эмбрионального развития. Прежде всего, Robo 1 имеет решающее значение для пионерского проведения продольных аксонов в вентральном тракте, тогда как Robo 2 важен в дорсальном тракте. ^[7]

Было показано, что передача сигналов, связанная с рецептором Notch, а также неканоническая передача сигналов Notch/Abl, играют роль в развитии продольных пионерских нейронов в дрозофилы вентральном нервном шнуре . Было показано, что рецептор Notch взаимодействует с интерфейсной глией, образуя путь, по которому могут следовать продольные пионерные нейроны. Передача сигналов Notch/Abl в пионерских нейронах увеличивает подвижность конусов роста продольных пионерских аксонов, одновременно стимулируя развитие филоподий. Также было отмечено, что передача сигналов Notch также важна для миграции нейронов в коре головного мозга млекопитающих. ^[8]

Анатомия

Направленный рост аксонов зависит от структуры на конце кончика растущего аксона, называемой конусом роста. Коротко говоря, конусы роста — это подвижные структуры, которые исследуют окружающую среду и в конечном итоге направляют расширение аксона. Реакция конусов роста на различные сигнальные молекулы диктует правильный путь и направление роста аксона. Конусы роста имеют листовидное расширение на кончике, называемое ламеллиподием , от которого отходят тонкие отростки, называемые филоподиями . Конус роста необходим для построения нервных путей.

Хотя как пионерские, так и последующие аксоны обладают конусами роста, существует несколько морфологических различий, связанных с функцией пионерских аксонов. Структура конуса роста меняется всякий раз, когда аксон достигает ранее не иннервированной территории или если требуется выбор направления. В основном ламеллиподии увеличиваются в размерах и расширяют многочисленные филоподии, чтобы собрать как можно больше сенсорной информации. ^[9]

Роль в развитии нейронов

Роль пионерских аксонов в развитии нейронов широко изучалась в различных системах беспозвоночных и позвоночных, как в центральной, так и в периферической нервной системе . Хотя эти эксперименты пролили свет на функции пионерских аксонов, результаты показывают противоречивую информацию о степени влияния пионерских аксонов на правильное развитие. Кроме того, другие исследования показали, что определенные клетки, которые взаимодействуют с пионерскими аксонами, также имеют решающее значение в конечном развитии нервных путей и что потеря этих клеток приводит к неправильной навигации пионерских аксонов. Более того, идентичные пути и гомологичные нейроны у разных видов отражают разные способности конусов роста в пионерских нейронах находить пути.

Было проведено исследование роли пионерских аксонов в формировании аксонных путей как ЦНС, так и ПНС у эмбриона дрозофилы . Используя метод абляции определенных нейронов, абляция аксона aCC, который играет роль в создании межсегментарного нерва в ПНС дрозофилы , привела к тому, что три типичных последующих аксона стали задерживаться и были склонны к ошибкам в поиске пути. Несмотря на эти последствия, в конечном итоге путь сформировался у большинства испытуемых. Абляция пионерных аксонов, формирующих продольные пути в ЦНС дрозофилы , привела к аналогичным трудностям в формировании и организации продольных путей в 70% наблюдаемых сегментов. В конечном итоге, как и в ПНС, продольные пути сформировались примерно в 80% наблюдаемых сегментов. Таким образом, было показано, что пионерные аксоны играют роль в развитии ЦНС и ПНС, а без пионерских аксонов рост последователей задерживается. Примечательно, что сформировалось большинство трактов, что указывает на то, что в наведении аксонов играют роль и другие факторы, которые могут корректировать потерю нейронов-первопроходцев. ^[10]

Хотя исследования механизмов пионерских аксонов в основном проводились на моделях беспозвоночных, также начались исследования, изучающие роль пионерских аксонов в развитии крупных аксонных трактов позвоночных. Основной моделью для этих экспериментов была рыба данио. Как и у дрозофилы , есть данные, показывающие, что, хотя пионерские аксоны играют важную роль в управлении конусами роста последующих аксонов, они могут быть не совсем существенными. Мозг ранних рыбок данио представляет собой идеальную среду для изучения поведения развивающихся аксонных путей. Самые ранние дифференцирующиеся пионерные нейроны создают каркас, с которым взаимодействуют конусы роста последующих аксонов.

Удаление пионерных аксонов, образующих каркас, влияет на конусы роста нейронов ядра задней комиссуры, так что они не могут следовать нормальному пути расширения вентрально, а затем назад. Несмотря на нарушенный каркас пионерных нейронов, конусы роста последователей нормально простираются вентрально. Однако около половины последователей не следуют правильному заднему продольному пути, а другая половина - следовать. Это указывает на то, что другие сигналы, отличные от сигналов от пионерских аксонов, играют роль в управлении ростом последующих аксонов и что пионерные аксоны могут играть разные роли в разных частях развития нейронов. ^[11] В другом исследовании замена или удаление ранних ганглиозных клеток сетчатки, которые функционируют как пионерные нейроны, оказало значительное вредное воздействие на способность более поздних аксонов выходить из глаза. Последующие аксон-аксонные взаимодействия также оказались необходимыми, поскольку неправильное направление аксонов сетчатки приводило к дефасцикуляции хиазмы, теленцефалическим и вентральным проекциям заднего мозга или аберрантному пересечению в задней спайке . ^[12]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Рэпер Дж. и Мейсон К. (2010). Клеточные стратегии поиска аксональных путей. [Статья]. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 2 (9). doi: a00193310.1101/cshperspect.a001933
^ Бентли, Д., и Коди, М. (1983). Аксоны-пионер теряют направленный рост после избирательного уничтожения клеток-указателей. Природа, 304(5921), 62–65.
^ Идальго А. и Бут GE (2000). Глия диктует пионерские траектории аксонов в эмбриональной ЦНС дрозофилы. [Статья]. Развитие, 127(2), 393–402.
^ Идальго А., Урбан Дж. и Брэнд А.Х. (1995). Направленная абляция глии нарушает формирование аксонных путей в ЦНС дрозофилы. Развитие, 121(11), 3703–3712.
^ Диксон, Би Джей (2002). Молекулярные механизмы направления аксонов. Наука, 298 (5600), 1959–1964. doi: 10.1126/science.1072165
^ Мастик, Г.С., Фармер, В.Т., Алтик, А.Л., Нурал, Х.Ф., Дуган, Дж.П., Кидд, Т., и Чаррон, Ф. (2010). Продольные аксоны направляются сигналами Slit/Robo от пластины пола . Cell Adh Migr, 4(3), 337–341.
^ Ким, М., Розенер, AP, Мендонка, PR, и Мастик, GS (2011). Robo1 и Robo2 играют разные роли в новаторском продольном наведении аксонов. Дев Биол, 358(1), 181–188. doi: 10.1016/j.ydbio.2011.07.025
^ Кузина И., Сонг Дж. К. и Джинигер Э. (2011). Как Notch устанавливает продольные аксонные связи между последовательными сегментами ЦНС дрозофилы. Развитие, 138 (9), 1839–1849. дои: 10.1242/dev.062471
^ Первес, Д., Августин, Дж.Дж., Фитцпатрик, Д., Холл, У.К., ЛаМантия, А.-С., Макнамара, Дж.О., и Уайт, Л.Е. (2008). Нейронаука (4-е изд.). Сандерленд: Sinauer Associates Inc.
^ Лин, Д.М., Олд, В.Дж., и Гудман, CS (1995). Направленная абляция нейрональных клеток у эмбриона дрозофилы: поиск пути с помощью конусов роста последователей в отсутствие пионеров. Нейрон, 14 (4), 707–715.
^ Патель, К.К., Родригес, LC, и Кувада, JY (1994). Аксональный отросток внутри аномального каркаса мозговых путей у мутанта рыбки данио. Дж. Нейробиол, 25 (4), 345–360. дои: 10.1002/neu.480250402
^ Питтман, AJ, Лоу, М.Ю., и Чиен, CB (2008). Поиск пути в большом аксонном тракте позвоночных: изотипические взаимодействия направляют ретинотектальные аксоны в точках множественного выбора. Развитие, 135(17), 2865–2871. дои: 10.1242/dev.025049

[Raper-1] Jump up to: ^а ^б Рэпер Дж. и Мейсон К. (2010). Клеточные стратегии поиска аксональных путей. [Статья]. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 2 (9). doi: a00193310.1101/cshperspect.a001933

[Bentley-2] Бентли, Д., и Коди, М. (1983). Аксоны-пионер теряют направленный рост после избирательного уничтожения клеток-указателей. Природа, 304(5921), 62–65.

[Hidalgo2000-3] Идальго А. и Бут GE (2000). Глия диктует пионерские траектории аксонов в эмбриональной ЦНС дрозофилы. [Статья]. Развитие, 127(2), 393–402.

[Hidalgo1995-4] Идальго А., Урбан Дж. и Брэнд А.Х. (1995). Направленная абляция глии нарушает формирование аксонных путей в ЦНС дрозофилы. Развитие, 121(11), 3703–3712.

[Dickson-5] Диксон, Би Джей (2002). Молекулярные механизмы направления аксонов. Наука, 298 (5600), 1959–1964. doi: 10.1126/science.1072165

[Mastick-6] Мастик, Г.С., Фармер, В.Т., Алтик, А.Л., Нурал, Х.Ф., Дуган, Дж.П., Кидд, Т., и Чаррон, Ф. (2010). Продольные аксоны направляются сигналами Slit/Robo от пластины пола . Cell Adh Migr, 4(3), 337–341.

[kim-7] Ким, М., Розенер, AP, Мендонка, PR, и Мастик, GS (2011). Robo1 и Robo2 играют разные роли в новаторском продольном наведении аксонов. Дев Биол, 358(1), 181–188. doi: 10.1016/j.ydbio.2011.07.025

[Kuzina-8] Кузина И., Сонг Дж. К. и Джинигер Э. (2011). Как Notch устанавливает продольные аксонные связи между последовательными сегментами ЦНС дрозофилы. Развитие, 138 (9), 1839–1849. дои: 10.1242/dev.062471

[Purves-9] Первес, Д., Августин, Дж.Дж., Фитцпатрик, Д., Холл, У.К., ЛаМантия, А.-С., Макнамара, Дж.О., и Уайт, Л.Е. (2008). Нейронаука (4-е изд.). Сандерленд: Sinauer Associates Inc.

[Lin-10] Лин, Д.М., Олд, В.Дж., и Гудман, CS (1995). Направленная абляция нейрональных клеток у эмбриона дрозофилы: поиск пути с помощью конусов роста последователей в отсутствие пионеров. Нейрон, 14 (4), 707–715.

[Patel-11] Патель, К.К., Родригес, LC, и Кувада, JY (1994). Аксональный отросток внутри аномального каркаса мозговых путей у мутанта рыбки данио. Дж. Нейробиол, 25 (4), 345–360. дои: 10.1002/neu.480250402

[Pittman-12] Питтман, AJ, Лоу, М.Ю., и Чиен, CB (2008). Поиск пути в большом аксонном тракте позвоночных: изотипические взаимодействия направляют ретинотектальные аксоны в точках множественного выбора. Развитие, 135(17), 2865–2871. дои: 10.1242/dev.025049

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]